Capturando el inmenso potencial del ADN para almacenar datos

Milthon Lujan Monja

Un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Poh Chueh Loo (derecha) ha sido pionero en una innovadora "cámara biológica" que aprovecha las células vivas y sus mecanismos biológicos inherentes para codificar y almacenar datos. Fuente: Lim et al., (2023).
Un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Poh Chueh Loo (derecha) ha sido pionero en una innovadora “cámara biológica” que aprovecha las células vivas y sus mecanismos biológicos inherentes para codificar y almacenar datos. Fuente: Lim et al., (2023).

Una “Cámara biológica” evitará las limitaciones de los métodos actuales del almacenamiento de ADN, aprovechando las células vivas y sus mecanismos biológicos inherentes para codificar y almacenar datos.

Esto representa un avance significativo en la codificación y almacenamiento de imágenes directamente dentro del ADN, creando un nuevo modelo para el almacenamiento de información que recuerda a una cámara digital.

Liderado por el Investigador Principal, el Profesor Asociado Poh Chueh Loo del College of Design and Engineering en la National University of Singapore, y el NUS Synthetic Biology for Clinical and Technological Innovation (SynCTI), los hallazgos del equipo de investigadores potencialmente podrían cambiar la forma de almacenamiento de datos de la industria.

Un nuevo paradigma para abordar la sobrecarga global de datos

A medida que el mundo continúa generando datos a un ritmo sin precedentes, los datos se consideran la “moneda” del siglo XXI. Estimado en 33 ZB en 2018, se ha pronosticado que la Global Datasphere alcanzará los 175 ZB para 2025.

Esto ha provocado la búsqueda de una alternativa de almacenamiento que pueda trascender los límites del almacenamiento de datos convencional y aborda el impacto ambiental de los centros de datos que son intensivos en el uso de recursos.

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Solo recientemente ha llamado la atención la idea de utilizar el ADN para almacenar otro tipo de información, como imágenes y videos. Esto se debe a la excepcional capacidad de almacenamiento, la estabilidad y la relevancia de larga data del ADN como medio para el almacenamiento de información.

“Nos enfrentamos a una sobrecarga de datos inminente. El ADN, el biomaterial clave de todos los seres vivos de la Tierra, almacena información genética que codifica una serie de proteínas responsables de diversas funciones vitales. Para ponerlo en perspectiva, un solo gramo de ADN puede contener más de 215 000 terabytes de datos, lo que equivale a almacenar 45 millones de DVD combinados”, destacó el profesor Poh.

ADN flexible para almacenar información

El estudio publicado detalla un método para capturar patrones de luz bidimensionales en el ADN, utilizando circuitos epigenéticos para registrar la exposición a la luz en el ADN, codificando ubicaciones espaciales con códigos de barras y recuperando imágenes almacenadas a través de secuenciación de próxima generación de alto rendimiento.

“El ADN también es fácil de manipular con las herramientas de biología molecular actuales, se puede almacenar en varias formas a temperatura ambiente y es tan duradero que puede durar siglos”, dijo Lim Cheng Kai, estudiante graduado que trabaja con Poh.

A pesar de su inmenso potencial, la investigación actual sobre almacenamiento de ADN se centra en sintetizar hebras de ADN fuera de las células. Este proceso es costoso y depende de instrumentos complejos, que también son propensos a errores.

Para superar este cuello de botella, Poh y su equipo recurrieron a las células vivas, que contienen una gran cantidad de ADN que puede actuar como un “banco de datos”, eludiendo la necesidad de sintetizar el material genético externamente.

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A través de puro ingenio e ingeniería inteligente, el equipo desarrolló “BacCam”, un sistema novedoso que combina varias técnicas biológicas y digitales para emular las funciones de una cámara digital utilizando componentes biológicos.

“Imagínate el ADN dentro de una célula como una película fotográfica sin revelar”, explicó Poh. “Usando optogenética, una técnica que controla la actividad de las células con luz similar al mecanismo del obturador de una cámara, logramos capturar ‘imágenes’ imprimiendo señales de luz en la ‘película’ de ADN”.

A continuación, utilizando técnicas de códigos de barras similares al etiquetado fotográfico, los investigadores marcaron las imágenes capturadas para una identificación única. Se emplearon algoritmos de aprendizaje automático para organizar, ordenar y reconstruir las imágenes almacenadas. Estos constituyen la “cámara biológica”, que refleja los procesos de captura, almacenamiento y recuperación de datos de una cámara digital.

A Codificación de la luz en bacterias y código de barras para la conservación de la información espacial. B Secuenciación y decodificación del ADN almacenado en la imagen original. C Prueba inicial de concepto de BacCam usando el patrón 'BACCAM'. La reconstrucción exitosa de la imagen se realizó con una precisión de 93/96. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen. Fuente: Lim et al., (2023).
A Codificación de la luz en bacterias y código de barras para la conservación de la información espacial. B Secuenciación y decodificación del ADN almacenado en la imagen original. C Prueba inicial de concepto de BacCam usando el patrón ‘BACCAM’. La reconstrucción exitosa de la imagen se realizó con una precisión de 93/96. Los datos de origen se proporcionan como un archivo de datos de origen. Fuente: Lim et al., (2023).

Conclusión

“A medida que ampliamos los límites del almacenamiento de datos de ADN, existe un interés creciente en unir la interfaz entre los sistemas biológicos y digitales”, dijo Poh.

Los resultados del estudio muestran otras aplicaciones de almacenamiento de datos de ADN que recrean los dispositivos de captura de información existentes en una forma biológica.

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“Nuestro método representa un hito importante en la integración de sistemas biológicos con dispositivos digitales. Al aprovechar el poder del ADN y los circuitos epigenéticos, hemos creado la primera ‘cámara digital viviente’, que ofrece un enfoque rentable y eficiente para el almacenamiento de datos de ADN. Nuestro trabajo no solo explora otras aplicaciones del almacenamiento de datos de ADN, sino que también rediseña las tecnologías de captura de datos existentes en un marco biológico. Esperamos que esto siente las bases para la innovación continua en el registro y almacenamiento de información”, finalizó Poh.

Referencia (acceso abierto)
Lim, C.K., Yeoh, J.W., Kunartama, A.A. et al. A biological camera that captures and stores images directly into DNA. Nat Commun 14, 3921 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-38876-w

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