Memoria de acceso aleatorio basada en ADN para el almacenamiento molecular

En los últimos años, los científicos han realizado importantes avances en el desarrollo de sistemas de almacenamiento en cadenas de ADN, una tecnología que promete densidades imposibles de alcanzar con los medios magnéticos y electrónicos actuales. Pero en su progreso los investigadores se enfrentan a diferentes desafíos, como abaratar y agilizar los procesos de síntesis y secuenciación empleados en la grabación y lectura de información en forma de cadenas de nucleótidos.

A medida que aumenta el volumen de datos a nivel mundial se hace necesario contar con soportes de almacenamiento a una escala de exabytes y, en unos años, de yottabytes. La capacidad dejará pronto de ser una limitación en los soportes de ADN, pero otro de los problemas que se plantean es que hace falta una memoria de acceso aleatorio capaz de desenvolverse con agilidad en estos sistemas.

Para dar respuesta a esta necesidad, un nutrido grupo de científicos del Broad Institute, del MIT y de la Universidad de Harvard ha desarrollado una tecnología de memoria de acceso aleatorio basada en ADN. Para lograrlo han encapsulado secuencias de archivos de ADN que codifican datos dentro de cápsulas de sílice impermeables, etiquetadas en la superficie con códigos de barras de ADN de una sola hebra. Estos representan metadatos de archivos, lo que permite seleccionar conjuntos de archivos con lógica booleana directamente, sin necesidad de amplificación.

En palabras de Mark Bathe, quien también es miembro asociado del Broad Institute, del MIT y de la Universidad de Harvard, “necesitamos nuevas soluciones para almacenar estas enormes cantidades de datos que el mundo está acumulando, especialmente los datos de archivo. El ADN es mil veces más denso que incluso la memoria flash, y otra propiedad que es interesante es que una vez que se produce el polímero de ADN, no consume energía. Puedes escribir el ADN y luego almacenarlo para siempre”.

Como explican en el artículo que han publicado Bathe y sus colegas en la revista Nature Materials, las pruebas que han realizado revelan que su tecnología permite el acceso aleatorio de archivos de imagen de una base de datos de imágenes prototípica de 2 kilobytes. Para ello utilizan un método de clasificación de fluorescencia con una sensibilidad de selección de uno en 106 archivos. Esto permite una capacidad de selección de 106 N, utilizando N canales ópticos, lo que en su opinión ofrece un concepto escalable para el acceso aleatorio de archivos en grandes volúmenes de datos registrados en cadenas de ADN.

James L. Banal, del MIT, explica que “en el estado actual de nuestra prueba de concepto, estamos en la tasa de búsqueda de 1 kilobyte por segundo. La tasa de búsqueda de nuestro sistema de archivos está determinada por el tamaño de los datos por cápsula, que actualmente está limitado por el costo prohibitivo de escribir incluso 100 megabytes de datos en ADN, y la cantidad de clasificadores que podemos usar en paralelo. Si la síntesis de ADN se vuelve lo suficientemente barata, podríamos maximizar el tamaño de los datos que podemos almacenar por archivo con nuestro enfoque”. Por su parte, George Church, profesor de genética de la Facultad de Medicina de Harvard, aunque no ha participado directamente en este estudio, comenta que esta técnica es un gran paso para la gestión del conocimiento y la tecnología de búsqueda.

Explica que “el rápido progreso en la escritura, copia, lectura y almacenamiento de datos de archivo de baja energía en forma de ADN ha dejado oportunidades poco exploradas para la recuperación precisa de archivos de datos de enormes bases de datos”. Y afirma que “el nuevo estudio aborda esto de manera espectacular, utilizando una capa externa de ADN completamente independiente y aprovechando diferentes propiedades del ADN (hibridación en lugar de secuenciación) y, además, utilizando instrumentos y químicas existentes”. Fialmente, Bathe explica que “si bien puede pasar un tiempo antes de que el ADN sea viable como medio de almacenamiento de datos, hoy en día ya existe una necesidad urgente de soluciones de almacenamiento masivo y de bajo costo para muestras preexistentes de ADN y ARN de las pruebas de Covid-19, secuenciación genómica humana y otras áreas de la genómica”.

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