El ADN sintético como almacenamiento masivo de datos del futuro
Las soluciones tradicionales de almacenamiento están alcanzando sus límites ante el constante aumento del volumen de datos generados en todo el mundo. En el proyecto BIOSYNTH, tres institutos Fraunhofer están desarrollando una plataforma de microchips para el futuro almacenamiento masivo de datos mediante ADN sintético. En esta entrevista, el Dr. Uwe Vogel, coordinador del proyecto y director del departamento de Microdisplays y Sensores del Instituto Fraunhofer de Microsistemas Fotónicos IPMS, explica cómo los investigadores planean ampliar el uso de este sistema modular de alto rendimiento para sintetizar ADN, ARN y péptidos, a fin de incluir también aplicaciones biológicas como el cribado de sustancias nocivas y el desarrollo de principios activos.
¿Por qué hay tanta demanda de soluciones de almacenamiento alternativas?
Los institutos de investigación de mercado calculan que el volumen de datos generados en todo el mundo aumentará hasta los 284 zettabytes de aquí a 2027. Pero la capacidad de almacenamiento disponible globalmente en todos los soportes de almacenamiento crece a un ritmo más lento que el volumen total de datos. Como resultado, existe la necesidad de un archivado que ahorre espacio, sea barato y eficiente en el uso de los recursos, con una alta compresión y un bajo consumo de energía, especialmente para los datos que deben almacenarse y conservarse durante periodos más largos pero a los que se accede muy raramente.
¿Por qué se basa en el ADN sintético como medio de almacenamiento en el proyecto BIOSYNTH?
La molécula hereditaria ADN puede almacenar durante mucho tiempo un enorme volumen de información en muy poco espacio. Además de información genómica, el ADN también puede utilizarse para respaldar datos binarios. Sin embargo, este tipo de almacenamiento de datos de ADN no se toma de la naturaleza, sino que se sintetiza en un laboratorio escribiendo ADN en microchips. Nosotros, los institutos Fraunhofer que participamos en el proyecto BIOSYNTH, consideramos que el almacenamiento masivo de datos biológicos es muy prometedor para archivar datos a largo plazo con un uso eficiente de los recursos y un ahorro de espacio.
¿Cómo puede utilizarse el ADN para almacenar datos?
En el almacenamiento digital de datos sobre la base del ADN, los datos binarios se codifican en cadenas sintéticas de ADN. Esto se hace digitalmente. Hay cuatro componentes básicos del ADN: guanina (G), timina (T), citosina (C) y adenina (A). Se denominan nucleobases. Así, el código binario de ceros y unos se traduce en una secuencia de bases A, C, G y T y se transforma en una cadena artificial de ADN. Sin embargo, pueden producirse errores en el proceso de síntesis o escritura. La supervisión en el chip y los algoritmos y códigos desarrollados específicamente nos permiten tolerar un cierto número de errores de escritura y seguir almacenando la información que debe escribirse sin errores.
¿Cómo consiguen aumentar la densidad de almacenamiento?
Dado que la síntesis microbiológica ha sido ineficiente y ha consumido muchos recursos en el pasado, y se carecía de tecnología de alto rendimiento -especialmente para segmentos moleculares largos-, estamos desarrollando una plataforma basada en técnicas de producción de microchips que permite una reducción drástica de los volúmenes de muestras individuales y del número de células de reactor miniaturizadas por chip, junto con un control integrado en el chip CMOS que puede direccionarse individualmente para cada célula de reactor.
¿De qué se compone la plataforma de microchips?
La plataforma de microchips es una combinación de electrónica de control integrada en CMOS, células de reacción miniaturizadas, microcalentadores, puntos OLED y fotodiodos a nivel micrométrico. Permite la síntesis térmica de moléculas biológicas con control óptico posterior.
¿Cómo funciona la síntesis con control óptico?
Para ello, los microchips de silicio están equipados con células de reacción microscópicas. Cada célula de reacción funciona más o menos como un minibiorreactor. Los algoritmos deciden cuál de las células de reacción debe activarse para generar una molécula determinada. Las señales de control transmiten la información pertinente. Diminutos elementos calefactores incorporados al chip suministran calor a cada célula de reacción, de modo que la calientan, favoreciendo la síntesis de moléculas microbiológicas como ADN, ARN y péptidos. Cada célula de reacción está equipada con diodos orgánicos emisores de luz (OLED) y fotodetectores que supervisan este proceso. El OLED suministra un impulso óptico. Para cada biorreactor, un fotodiodo asociado espacialmente registra la respuesta de si la reacción ha tenido lugar con éxito. Los algoritmos y codificaciones implementados permiten la tolerancia a fallos en el proceso de reacción biológica.
¿Qué requisitos tendrá que cumplir la plataforma de microchips?
Nuestro objetivo es que nuestra plataforma portátil y de bajo consumo energético sustituya a los grandes sistemas de síntesis que se utilizan actualmente, que ocupan una habitación entera. Esto permitirá el almacenamiento comercial de datos de base biológica. Con nuestra plataforma de microchips para escribir secuencias de nucleótidos definidas por software (ADN, ARN o péptidos), esperamos conseguir un alto rendimiento aplicando procesos de alta integración y producción en serie utilizados en microelectrónica, siempre con la vista puesta en una fabricación de bajo consumo energético y bajo coste.
¿Para qué otras aplicaciones constituye la plataforma del microchip un componente importante?
Vemos el uso del ADN como almacenamiento masivo de datos como un objetivo a largo plazo. En un futuro próximo, abordaremos aplicaciones en campos como la biología, la bioquímica, la tecnología medioambiental y alimentaria, la bioinformática y la medicina personalizada. Por ejemplo, tenemos previsto utilizar los sistemas biológicos o las moléculas producidas artificialmente para detectar precozmente, probar y analizar los efectos de sustancias y contaminantes del medio ambiente o la agricultura en el cuerpo humano, o para influir en ellos, por ejemplo para efectos terapéuticos selectivos y adaptados individualmente.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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