Negli ultimi anni, gli scienziati hanno decodificato i genomi di mammut e cavalli di 700.000 anni fa utilizzando frammenti di DNA estratti da fossili. Il DNA dura decisamente molto più a lungo degli organismi per i quali trasporta codici genetici. Gli informatici e gli ingegneri sognano da tempo di sfruttare la diminutività e la resilienza del DNA per archiviare i dati digitali. Vogliono codificare tutti quegli zeri e uno in molecole A, C, G e T, che formano la scala a chiocciola del polimero del DNA - e i progressi di questo decennio nella sintesi e nel sequenziamento del DNA hanno portato a un importante passo avanti. Recenti esperimenti hanno dimostrato che un giorno saremo in grado di codificare tutte le informazioni digitali del mondo in pochi litri di DNA e di leggerle di nuovo migliaia di anni dopo.
L'interesse di Microsoft e di altre società tecnologiche sta sollevando le tensioni in questo settore. Il mese scorso, Microsoft Research ha dichiarato che avrebbe pagato la start-up di biologia sintetica Twist Bioscience per creare 10 milioni di filamenti di DNA progettati dagli scienziati informatici di Microsoft per archiviare i dati. Il principale produttore di memorie Micron Technology sta anche finanziando la ricerca sull'archiviazione del DNA per determinare se un sistema di acidi nucleici può spingere i limiti della memoria elettronica. Questo afflusso di denaro e interessi potrebbe ridurre gradualmente i costi esorbitanti e rendere possibile l'archiviazione dei dati nel DNA entro dieci anni, affermano i ricercatori.
Gli esseri umani genereranno oltre 16 trilioni di gigabyte di dati digitali entro il 2017 e la maggior parte di questi dovrà essere archiviata. Dati legali, finanziari e medici, oltre ovviamente a file multimediali. Oggi, i dati vengono archiviati su dischi rigidi, dischi ottici in data center ad alta intensità energetica delle dimensioni di un magazzino. Nella migliore delle ipotesi, questi dati vengono archiviati per trent'anni, nel peggiore dei casi - diversi. Inoltre, secondo l'architetto informatico di Microsoft Research Karin Strauss, "Stiamo producendo molti più dati di quanti ne possa fare l'industria dello storage e le proiezioni mostrano che il divario aumenterà".
Ora aggiungiamo il DNA a tutto questo. Può vivere per secoli se conservato in un luogo fresco e asciutto. In teoria, può impacchettare miliardi di gigabyte di dati in una zolletta di zucchero. Il nastro, il supporto di archiviazione più denso disponibile oggi, può contenere 10 gigabyte nella stessa quantità di spazio. "Il DNA è un supporto di memorizzazione incredibilmente denso, durevole e non volatile", afferma Olgica Milenkovic, professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign.
Questo perché ciascuna delle quattro molecole costruttive - adenina (A), citosina ©, guanina (G) e timina (T) - occupa un nanometro cubo di volume. Utilizzando un sistema di codifica, ad esempio in cui A rappresenta i bit "00", C rappresenta "01" e così via, gli scienziati possono prendere le righe di uno e zero che compongono i file di dati digitali e creare un filamento di DNA contenente un'istantanea o un video. Naturalmente, la vera tecnica di codifica è molto più complicata di quanto abbiamo scritto per te qui. La sintesi del filamento di DNA di progettazione è il processo di scrittura dei dati. Gli scienziati possono quindi leggerli sequenziando le catene.
Il genetista di Harvard George Church ha fondato quest'area di ricerca nel 2012 codificando 70 miliardi di copie del libro - un milione di gigabit - in un millimetro cubo di DNA. Un anno dopo, gli scienziati dell'Istituto europeo di bioinformatica hanno dimostrato di poter leggere, senza un solo errore, 739 kilobyte di dati racchiusi nel DNA.
L'anno scorso, diversi team di scienziati hanno dimostrato sistemi completamente funzionanti. Ad agosto, gli scienziati dell'ETH di Zurigo hanno incapsulato il DNA sintetico in vetro, sottoposto a condizioni che simulavano la scadenza di 2.000 anni e hanno recuperato completamente i dati codificati. Parallelamente, Milenkovic e i suoi colleghi hanno riferito che sei università americane avevano salvato pagine di Wikipedia nel DNA e - fornendo alle sequenze "indirizzi" speciali - letto e modificato selettivamente parti del testo scritto. L'accesso casuale ai dati è molto importante per evitare di dover "mettere in sequenza un intero libro per leggere un solo paragrafo", afferma Milenkovich.
Ad aprile, Strauss e gli scienziati Jord Seelig e Luis Tsese dell'Università di Washington hanno riferito di essere in grado di scrivere tre file di immagine, ciascuno di diverse decine di kilobyte, in 40.000 filamenti di DNA utilizzando il proprio schema di codifica, e quindi di leggerli singolarmente, non fare errori. Hanno presentato il loro lavoro in aprile alla conferenza dell'Association for Electronic Computing. Con i 10 milioni di stringhe che Microsoft acquista da Twist Bioscience, gli scienziati intendono dimostrare che i dati sul DNA possono essere archiviati su scala molto più ampia. "Il nostro obiettivo è dimostrare un sistema finale in cui codifichiamo file di DNA, sintetizziamo molecole, le conserviamo a lungo e poi le ripristiniamo sequenziando il DNA", afferma Strauss. "Iniziamo con i battiti e torniamo ai battiti."
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Il produttore di memorie Micron sta studiando il DNA come tecnologia post-silicio. L'azienda sta finanziando il lavoro degli scienziati della Chiesa e dell'Università dell'Idaho per creare un sistema di archiviazione del DNA privo di errori. "L'aumento del costo dello storage guiderà soluzioni alternative e lo storage del DNA è una delle soluzioni più promettenti", ha affermato Gurtei Sandu, direttore dello sviluppo tecnologico avanzato di Micron.
Gli scienziati stanno ancora cercando modi per ridurre il numero di errori nella codifica e decodifica dei dati. Ma la maggior parte della tecnologia è già in atto. Allora cosa ci impedisce di passare da data warehouse delle dimensioni di una scatola di scarpe a capsule di vetro di DNA? Costo. "Il processo di registrazione è un milione di volte più costoso", afferma Seelig.
Ecco perché: la produzione di DNA implica l'inserimento di molecole nanodimensionate una per una con alta precisione: non è un compito facile. E sebbene il costo del sequenziamento sia diminuito a causa della rapida crescita della domanda per questo servizio, la sintesi del DNA non ha avuto un driver simile sul mercato. Milenkovic ha pagato circa $ 150 per creare una stringa di 1.000 nucleotidi sintetizzati. Il sequenziamento di un milione di nucleotidi costa circa un centesimo.
L'interesse per l'archiviazione dei dati da parte di Microsoft e Micron potrebbe essere solo lo slancio necessario per iniziare a tagliare i costi, afferma Seelig. Anche l'ingegneria intelligente e le nuove tecnologie come la microfluidica e il sequenziamento del DNA dei nanopori che aiutano a ridurre e accelerare il processo aiuteranno ad avanzare. Ora ci vogliono ore per sequenziare diverse centinaia di coppie di basi - e giorni per sintetizzarle - usando un mucchio di apparecchiature. Vorrei poter fare tutto in una piccola scatola, altrimenti il vantaggio della densità di archiviazione andrebbe perso.
Se tutto va bene, Strauss immagina società che offrano servizi di conservazione del DNA archivistico per il prossimo decennio. "Puoi aprire un browser e caricare file sul loro sito o recuperare i tuoi byte come faresti con il cloud", afferma. Oppure potresti acquistare un disco DNA invece di un disco rigido.
ILYA KHEL
