Il DNA sintetico come memoria di massa del futuro
Le soluzioni di archiviazione tradizionali stanno raggiungendo i loro limiti alla luce del costante aumento del volume di dati generati in tutto il mondo. Nel progetto BIOSYNTH, tre istituti del Fraunhofer stanno sviluppando una piattaforma di microchip per la futura memorizzazione di massa dei dati utilizzando il DNA sintetico. In questa intervista, il dottor Uwe Vogel, coordinatore del progetto e responsabile del dipartimento Microdisplay and Sensors del Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems IPMS, spiega come i ricercatori intendano ampliare l'uso di questo sistema modulare ad alta produttività per la sintesi di DNA, RNA e peptidi, includendo anche applicazioni biologiche come lo screening di sostanze nocive e lo sviluppo di principi attivi.
Perché c'è così tanta richiesta di soluzioni di stoccaggio alternative?
Gli istituti di ricerca di mercato stimano che il volume di dati generati a livello mondiale raggiungerà i 284 zettabyte entro il 2027. Ma la capacità di archiviazione disponibile a livello globale su tutti i supporti di memorizzazione sta crescendo a un ritmo più lento rispetto al volume totale dei dati. Di conseguenza, si avverte l'esigenza di un'archiviazione poco ingombrante, a basso costo ed efficiente dal punto di vista delle risorse, con un'elevata compressione e un basso consumo energetico, soprattutto per i dati che devono essere archiviati e conservati per periodi più lunghi ma a cui si accede molto raramente.
Perché nel progetto BIOSYNTH vi affidate al DNA sintetico come base per i supporti di archiviazione?
Il DNA, molecola dell'ereditarietà, è in grado di immagazzinare un enorme volume di informazioni in pochissimo spazio e per lungo tempo. Oltre alle informazioni genomiche, il DNA può essere utilizzato anche per il backup di dati binari. Tuttavia, questo tipo di memorizzazione dei dati del DNA non viene preso dalla natura, ma sintetizzato in laboratorio scrivendo il DNA su microchip. Gli istituti Fraunhofer che partecipano al progetto BIOSYNTH ritengono che l'archiviazione biologica dei dati di massa sia molto promettente per un'archiviazione a lungo termine dei dati efficiente in termini di risorse e di spazio.
Come si può utilizzare il DNA per l'archiviazione dei dati?
Nell'archiviazione digitale dei dati su base DNA, i dati binari vengono codificati in filamenti sintetici di DNA. Questo avviene in modo digitale. Il DNA è composto da quattro elementi di base: guanina (G), timina (T), citosina (C) e adenina (A). Questi elementi sono chiamati nucleobasi. Il codice binario di zeri e uno viene quindi tradotto in una sequenza di basi A, C, G e T e quindi trasformato in un filamento artificiale di DNA. Tuttavia, gli errori possono insinuarsi nel processo di sintesi o di scrittura. Il monitoraggio on-chip e gli algoritmi e i codici specificamente sviluppati ci permettono di tollerare un certo numero di errori di scrittura e di memorizzare comunque le informazioni che devono essere scritte senza errori.
Come riuscite ad aumentare la densità di memorizzazione?
Poiché in passato la sintesi microbiologica è stata inefficiente e dispendiosa in termini di risorse e mancava una tecnologia ad alto rendimento, soprattutto per i segmenti molecolari lunghi, stiamo sviluppando una piattaforma basata su tecniche di produzione di microchip che consentono di ridurre drasticamente i volumi dei singoli campioni e il numero di celle di reattore miniaturizzate per chip, oltre a un controllo integrato nel chip CMOS che può essere indirizzato individualmente per ogni cella di reattore.
Da cosa è composta la piattaforma a microchip?
La piattaforma a microchip è una combinazione di elettronica di controllo integrata in CMOS, celle di reazione miniaturizzate, micro-riscaldatori, punti OLED e fotodiodi a livello micrometrico. Consente la sintesi termica delle molecole biologiche con monitoraggio ottico a valle.
Come funziona la sintesi con monitoraggio ottico?
I microchip basati sul silicio sono dotati di microscopiche celle di reazione. Ogni cella di reazione funziona più o meno come un mini bioreattore. Gli algoritmi decidono quali cellule di reazione devono essere attivate per generare una determinata molecola. I segnali di controllo trasmettono le informazioni pertinenti. Minuscoli elementi riscaldanti incorporati nel chip forniscono calore a ciascuna cella di reazione e la riscaldano, favorendo la sintesi di molecole microbiologiche come DNA, RNA e peptidi. Ogni cella di reazione è dotata di diodi organici a emissione di luce (OLED) e di fotorivelatori che monitorano questo processo. L'OLED fornisce un impulso ottico. Per ogni bioreattore, un fotodiodo spazialmente associato registra la risposta che indica se la reazione è avvenuta con successo. Gli algoritmi e le codifiche implementate consentono la tolleranza agli errori nel processo di reazione biologica.
Quali requisiti dovrà soddisfare la piattaforma a microchip?
Il nostro obiettivo è che la nostra piattaforma portatile e a basso consumo energetico sostituisca i grandi sistemi di sintesi attualmente in uso, che occupano un'intera stanza. In questo modo, sarà possibile memorizzare dati biologici a livello commerciale. Con la nostra piattaforma a microchip per la scrittura di sequenze nucleotidiche (DNA, RNA o peptidi) definite dal software, speriamo di ottenere un'elevata produttività applicando processi di produzione in serie e ad alta integrazione utilizzati nella microelettronica, sempre nell'ottica di una produzione a basso consumo energetico e a basso costo.
Per quali altre applicazioni la piattaforma microchip costituisce un componente importante?
L'utilizzo del DNA come memoria di massa è per noi un obiettivo a lungo termine. Nel prossimo futuro, ci occuperemo di applicazioni in campi quali la biologia, la biochimica, la tecnologia ambientale e alimentare, il biocomputing e la medicina personalizzata. Ad esempio, prevediamo di utilizzare i sistemi biologici o le molecole prodotte artificialmente per rilevare precocemente, testare e analizzare gli effetti di sostanze e inquinanti provenienti dall'ambiente o dall'agricoltura sul corpo umano - o per influenzarli, ad esempio per ottenere effetti terapeutici mirati e personalizzati.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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