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Un nuevo descubrimiento permite ampliar el almacenamiento en ADN

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Investigación

Investigadores de la Universidad de Carolina del Norte han desarrollado nuevas técnicas para etiquetar y recuperar archivos de datos en sistemas de almacenamiento basados en el ADN. Con este avance han logrado aumentar la base de nombres de archivo disponibles para la identificación de los datos de los anteriores 30.000 a unos 900 millones, lo que elimina una gran limitación para el uso práctico de esta tecnología.

El almacenamiento en cadenas de ADN promete soportes con una capacidad mil millones de veces superior a la de los sistemas convencionales, empleando el mismo espacio físico. Pero la tecnología está todavía en desarrollo, y se ha encontrado con ciertas limitaciones que hasta ahora impedían un uso eficiente en entornos reales. Una de las principales es la dificultad de etiquetar las cadenas de datos para poder localizarlas posteriormente.

Ahora, investigadores de la Universidad de Carolina del Norte han dado un gran paso adelante en este sentido, que se ha dado a conocer en un artículo publicado en ACS Synthetic Biology. Según ha comentado James Tuck, profesor asociado de ingeniería eléctrica y de computación en NC State, y coautor del documento, dos de los grandes desafíos en el desarrollo de esta tecnología son identificar las hebras de ADN que contienen los datos que se necesita encontrar y, una vez conseguido, cómo extraer esas hebras de ADN para leerlas sin destruirlas.

Pero con este nuevo trabajo parecen haber logrado un nuevo método para agilizar este proceso. Como comentó Albert Keung, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular de la Universidad de Carolina del Norte, y coautor del artículo, “El trabajo anterior había ideado un sistema que adjunta secuencias cortas de 20 monómeros de ADN llamadas “secuencias de unión a cebadores” a los extremos de las cadenas de ADN que almacenan información. Se puede usar un pequeño cebador de ADN que coincida con la secuencia de unión del cebador correspondiente para identificar las cadenas apropiadas que conforman su archivo deseado. Sin embargo, solo hay un estimado de 30,000 de estas secuencias de unión disponibles, lo cual es insuficiente para el uso práctico. Queríamos encontrar una manera de superar esta limitación”.

Para abordar este desafío, los investigadores han desarrollado dos técnicas denominadas “Enriquecimiento del ADN” y “Separación anidada”, o DENSe, emplean dos secuencias de unión de cebadores anidadas. Así, el sistema identifica primero todas las hebras de ADN que contienen la secuencia de enlace inicial, y a continuación realiza una segunda búsqueda de ese conjunto de cadenas para seleccionar las que contienen la segunda secuencia de enlace. Gracias a este sistema, como dijo Tuck, se “aumenta el número de nombres de archivo estimados de aproximadamente 30.000 a aproximadamente 900 millones”.

A continuación, hay que extraer los datos que componen el archivo, para lo que actualmente se utilizan técnicas como la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) para hacer lotes de copias de las cadenas de ADN relevantes, y después secuenciar la muestra completa. Pero, en opinión de Kyle Tomek estudiante de doctorado de NC State y coautor de este documento, “Esa técnica no es eficiente, y no funciona si está tratando de recuperar datos de una base de datos de alta capacidad; simplemente hay demasiado ADN adicional en el sistema”.

Para salvar esta barrera, que impide el uso del almacenamiento de ADN en infraestructuras de alta capacidad, los autores de esta investigación han cambiado el enfoque, adjuntando etiquetas moleculares pequeñas a los cebadores que se emplean para identificar las cadenas de ADN específicas. Así, cuando el cebador encuentra el código de ADN solicitado, se emplea PCR para sintetizar solo esa hebra de ADN, que se adjunta a la etiqueta molecular. De esta forma se evita generar cadenas adicionales que ocupan mucho espacio y limitan el rendimiento del sistema, como ocurre con la técnica convencional.

Como punto final de este avance, los científicos emplearon microperlas magnéticas recubiertas de moléculas capaces de unirse a una etiqueta determinada, un método que permite extraer cadenas de ADN específicas de forma más efectiva. Según Keung, “Este sistema nos permite recuperar las cadenas de ADN asociadas con un archivo específico sin tener que hacer muchas copias de cada cadena, al tiempo que conserva las cadenas de ADN originales en la base de datos. Hemos implementado el sistema DENSe de forma experimental utilizando archivos de muestra, y hemos demostrado que se puede utilizar para almacenar y recuperar archivos de texto e imagen”.

Y, como comentó Tomek, “Estas técnicas, cuando se usan en conjunto, abren la puerta al desarrollo de sistemas de almacenamiento de datos basados en ADN con capacidades modernas y capacidades de acceso a archivos”. Por su parte, Tuck señaló que, de cara al futuro, “Los próximos pasos incluyen ampliar esto y probar el enfoque DENSe con bases de datos más grandes”, donde el desafío más grande será el costo.

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