O ADN sintético como armazenamento de dados em massa do futuro
As soluções de armazenamento tradicionais estão a atingir os seus limites face ao aumento constante do volume de dados gerados em todo o mundo. No projeto BIOSYNTH, três institutos Fraunhofer estão a desenvolver uma plataforma de microchips para o futuro armazenamento de dados em massa utilizando ADN sintético. Nesta entrevista, o Dr. Uwe Vogel, coordenador do projeto e chefe do departamento de Microdisplays e Sensores do Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems IPMS, explica como os investigadores planeiam alargar a utilização deste sistema modular de alto rendimento para sintetizar ADN, ARN e péptidos, de modo a incluir também aplicações biológicas, como o rastreio de substâncias nocivas e o desenvolvimento de ingredientes activos.
Porque é que há tanta procura de soluções de armazenamento alternativas?
Os institutos de investigação de mercado estimam que o volume de dados gerados a nível mundial aumentará para 284 zettabytes até 2027. Mas a capacidade de armazenamento disponível globalmente em todos os suportes de armazenamento está a crescer a um ritmo mais lento do que o volume total de dados. Consequentemente, é necessário um arquivo que poupe espaço, seja económico e eficiente em termos de recursos, com elevada compressão e baixo consumo de energia, especialmente para os dados que têm de ser armazenados e conservados durante períodos mais longos, mas aos quais se acede muito raramente.
Porque é que o projeto BIOSYNTH se baseia no ADN sintético como suporte de armazenamento?
A molécula de hereditariedade, o ADN, pode armazenar um enorme volume de informação num espaço muito reduzido e durante muito tempo. Para além da informação genómica, o ADN também pode ser utilizado para fazer cópias de segurança de dados binários. No entanto, este tipo de armazenamento de dados de ADN não é retirado da natureza, mas sim sintetizado em laboratório através da gravação de ADN em microchips. Nós - os institutos Fraunhofer que participam no projeto BIOSYNTH - consideramos que o armazenamento biológico de dados em massa é uma grande promessa para o arquivamento de dados a longo prazo, com eficiência de recursos e economia de espaço.
Como é que o ADN pode ser utilizado como armazenamento de dados?
No armazenamento digital de dados com base no ADN, os dados binários são codificados em cadeias sintéticas de ADN. Isto é feito digitalmente. Existem quatro blocos de construção básicos do ADN: guanina (G), timina (T), citosina (C) e adenina (A). Estes são chamados nucleobases. Assim, o código binário de zeros e uns é traduzido numa sequência de bases A, C, G e T e depois transformado numa cadeia artificial de ADN. No entanto, podem ocorrer erros no processo de síntese ou de escrita. A monitorização no chip e os algoritmos e códigos especificamente desenvolvidos permitem-nos tolerar um certo número de erros de escrita e continuar a armazenar a informação que precisa de ser escrita sem quaisquer erros.
Como é que conseguem aumentar a densidade de armazenamento?
Uma vez que a síntese microbiológica era ineficiente e consumia muitos recursos no passado, e que não existia tecnologia de alto rendimento - especialmente para segmentos moleculares longos - estamos a desenvolver uma plataforma baseada em técnicas de produção de microchips que permite uma redução drástica dos volumes de amostras individuais e do número de células reactivas miniaturizadas por chip, juntamente com um controlo integrado em chips CMOS que pode ser tratado individualmente para cada célula reactiva.
De que é composta a plataforma microchip?
A plataforma de microchips é uma combinação de eletrónica de controlo integrada em CMOS, células de reação miniaturizadas, microaquecedores, pontos OLED e fotodíodos ao nível do micrómetro. Permite a síntese térmica das moléculas biológicas com monitorização ótica a jusante.
Como funciona a síntese com monitorização ótica?
Para este efeito, os microchips à base de silício estão equipados com células de reação microscópicas. Cada célula de reação funciona mais ou menos como um mini bioreactor. Os algoritmos decidem quais as células de reação que devem ser activadas para gerar uma determinada molécula. Os sinais de controlo transmitem a informação relevante. Pequenos elementos de aquecimento incorporados no chip fornecem calor a cada célula de reação, aquecendo-a e apoiando a síntese de moléculas microbiológicas como o ADN, o ARN e os péptidos. Cada célula de reação está equipada com díodos orgânicos emissores de luz (OLED) e fotodetectores que monitorizam este processo. O OLED fornece um impulso ótico. Para cada biorreactor, um fotodíodo associado espacialmente regista a resposta sobre se a reação foi bem sucedida. Os algoritmos e codificações implementados permitem a tolerância a falhas no processo de reação biológica.
Que requisitos terá de cumprir a plataforma de microchips?
O nosso objetivo é que a nossa plataforma portátil e de baixo consumo de energia substitua os grandes sistemas de síntese atualmente utilizados, que ocupam uma sala inteira. Isto permitirá o armazenamento comercial de dados de base biológica. Com a nossa plataforma de microchips para a escrita de sequências de nucleótidos definidas por software (ADN, ARN ou péptidos), esperamos atingir um elevado rendimento através da aplicação de processos de alta integração e produção em série utilizados na microeletrónica - sempre com vista a um fabrico barato e de baixo consumo energético.
Para que outras aplicações é que a plataforma de microchips constitui um componente importante?
Consideramos que a utilização do ADN como armazenamento de dados em massa é um objetivo a longo prazo. Num futuro próximo, iremos abordar aplicações em domínios como a biologia, a bioquímica, a tecnologia ambiental e alimentar, a biocomputação e a medicina personalizada. Planeamos, por exemplo, utilizar os sistemas biológicos ou moléculas produzidas artificialmente para detetar precocemente, testar e analisar os efeitos de substâncias e poluentes do ambiente ou da agricultura no corpo humano - ou para os influenciar, por exemplo, para efeitos terapêuticos direcionados e individualmente adaptados.
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