Il DNA è il disco rigido del futuro

L’umanità è bravissima nel creare cose, ma c’è una cosa che la nostra specie crea più di quasi ogni altra cosa: l’informazione.

Nel lontano 2013, uno studio ha concluso che il 90% di tutti i dati mondiali erano stati generati nei due anni precedenti, eppure tale quantità sembra ancora piccola rispetto agli ultimi anni. Nel 2017 sono stati creati 26 zettabyte (uno zettabyte = un miliardo di terabyte) di dati, ovvero più di tutto ciò che è stato creato negli anni 2010-2013 messi insieme.

Secondo a rapporto pubblicato nel 2019, ogni giorno condividiamo 95 milioni di foto e video su Instagram, pubblichiamo 500 milioni di tweet su Twitter e inviamo 294 miliardi di email. Sebbene Internet possa sembrare etereo, tutti questi dati devono essere archiviati fisicamente, su dischi rigidi e server in tutto il mondo. Il problema è che questi mezzi tradizionali di archiviazione dei dati probabilmente non riusciranno a tenere il passo con il flusso di dati previsto per il prossimo decennio.

Qual è la soluzione? Il disco rigido del futuro potrebbe in realtà essere qualcosa di molto antico, qualcosa che si trova dentro ogni persona che legge questo: il DNA.

Il manuale di istruzioni della natura

L'acido desossiribonucleico, o DNA, è la molecola che determina il modo in cui si sviluppa un organismo. Una molecola di DNA contiene quattro basi azotate – adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C) – e la sequenza di queste basi formano istruzioni su come dovrebbero svilupparsi le cellule, influenzando cose come il colore dei capelli e degli occhi, l'altezza e così via SU. Il DNA è essenzialmente il manuale di istruzioni per costruire un corpo.

Il DNA può anche contenere una quantità impressionante di informazioni: 215 petabyte (1 petabyte equivale a circa 100 milioni di gigabyte) di dati su un singolo grammo. Altrettanto impressionante è la sua longevità. I mezzi tradizionali come il nastro magnetico e la memoria flash tendono a deteriorarsi, sia a causa dell'uso ripetuto che semplicemente del tempo. Anche il DNA si degrada, ma a un ritmo significativamente più lento: a seconda delle condizioni di conservazione, può durare migliaia o addirittura decine di migliaia di anni.

Non sorprende, quindi, che i ricercatori considerino il sistema di stoccaggio della natura come un contenitore per l’incessante flusso di informazioni del mondo.

“Il cerchio si sta quasi chiudendo”, afferma Hyunjun Park, CEO di Catalog, un’azienda che sta costruendo una piattaforma per l’archiviazione basata sul DNA. "Torneremo alla natura per trarre ispirazione per sviluppare questo mezzo."

Catalog è una delle aziende all'avanguardia in questa tecnologia, costruendo una piattaforma di archiviazione basata sul DNA in grado di ospitare file sempre più grandi del 5G, era dell'alta definizione.

Potenziale meraviglioso a un prezzo da incubo

L’idea di archiviare dati sul DNA fu proposta negli anni ’60 dallo scienziato sovietico Mikhail Neiman. Nei decenni successivi, i ricercatori hanno fatto grandi passi avanti per raggiungere questo obiettivo, ma ci sono stati ostacoli significativi.

"Il collo di bottiglia che ha impedito a questa tecnologia di diventare mainstream", spiega Park, "era il fatto che è molto costoso e lento archiviare molte informazioni".

Secondo uno studio pubblicato nel 2018, la tecnica di archiviazione del DNA più economica all'epoca costava circa $ 3.500 per MB per scrivere i dati e $ 1.000 per MB per leggerli, quindi non mandare ancora in pensione il tuo disco a stato solido.

Il catalogo mira a ridurre i costi di archiviazione del DNA creando ciò che può essere paragonato a una macchina da stampa, il rivoluzionario dispositivo che utilizzava blocchi di lettere intercambiabili, ricoperti di inchiostro, per stampare rapidamente pagine.

“Il modo in cui è stato fatto prima”, spiega Park, è che le basi del DNA –ATCG– potrebbero essere usate per “rappresentare qualsiasi lunga stringa di 1 e 0, perché sono i dati che stai cercando di scrivere. Ma il problema con questo approccio è che ogni coppia di basi che aggiungi ha un costo e richiede tempo”.

Nel metodo di stampa di Catalog, i blocchi di legno sono “blocchi di molecole di DNA che abbiamo pre-sintetizzato, ma in grandi quantità. Nel mondo del DNA”, spiega, “se stai cercando di sintetizzare grandi quantità di poche molecole diverse – diciamo, nell’ordine di 100 – è davvero economico e facile da fare.

“Ma se stai cercando di sintetizzare quantità molto piccole di un milione di molecole diverse”, continua, “l’operazione è davvero costosa e lenta. Prendiamo questi blocchi più grandi che abbiamo realizzato in grandi quantità e utilizziamo la stampante che abbiamo sviluppato per disporli in combinazioni diverse e collegarle insieme in modo da ottenere questa enorme varietà di molecole diverse che possiamo quindi attribuire in modo diverso informazioni a."

Costruire un computer migliore attraverso la natura

Sebbene le capacità di archiviazione del DNA siano intriganti, Park è anche entusiasta del suo potenziale per l’informatica. Per anni, i computer hanno seguito più o meno il percorso tracciato dalla Legge di Moore, secondo la quale ogni due anni circa potremmo raddoppiare il numero di transistor che possono essere inseriti in un chip di computer. Tuttavia, i chip dei computer sono diventati così piccoli al giorno d’oggi che è sempre più improbabile che possiamo continuare a inserire più transistor al loro interno. Essenzialmente, La Legge di Moore è morta, o almeno in un ospizio.

Tuttavia, il bisogno dell’umanità di computer sempre più grandi è vivo, e così i ricercatori stanno correndo per sviluppare nuove tipologie di computer (computer quantistici, Per esempio). Un computer basato sul DNA è una possibilità.

“Pensiamo che una volta che abbiamo dati nel DNA, possiamo usare enzimi e altre molecole di DNA per calcolare quei dati”, afferma Park, “e questo è un modo altamente efficiente ed estremamente parallelo per calcolare quei dati. Non sarà per tutte le applicazioni quotidiane o per tutti i problemi computazionali, ma per una serie di problemi che diventano sempre più importanti per la società, riteniamo che il DNA sarà un ottimo modo per risolverli Esso."

Park afferma che i computer a DNA sarebbero particolarmente adatti per problemi in cui si dispone di una grande quantità di dati, ma i calcoli da eseguire non sono troppo complessi. Ad esempio, immagina uno scenario in cui qualcuno ha bisogno di esaminare exabyte di dati del censimento.

"Vuoi essere in grado di cercare rapidamente tutto ciò contemporaneamente e trovare i nomi delle persone che soddisfano un certo insieme di criteri come una certa fascia di età, fascia di reddito o regione geografica”, ha dice. “Per fare ciò in un computer tradizionale, per poter esaminare tutti gli exabyte che hai raccolto per decenni, dovresti rileggere il nastro magnetico che è rimasto in una cella frigorifera... quindi calcolalo in blocchi che si adattano alla memoria, e poi in blocchi che si adattano all'unità di elaborazione, e fallo in un seriale maniera. Se lo avessi nel DNA, il volume sarebbe davvero piccolo a causa della densità di informazioni del DNA, e quindi inseriresti alcune sonde che si legano alla caratteristica che stai cercando per."

Una rivoluzione all'orizzonte

Allora quando dovresti prepararti a buttare via la tua attuale attrezzatura e sostituirla con parti di computer bio-organiche? Probabilmente non tanto presto.

"Penso che per il prossimo futuro", afferma Park, "il processo di scrittura in cui si convertono i dati digitali in DNA avverrà presso strutture specializzate". Dati del DNA le strutture ospiteranno i dati basati sul DNA, a cui le persone potranno accedere come farebbero con un server tradizionale, anche se suggerisce che le persone potrebbero ottenere copie dei propri dati in fase di test tubi.

Per ora, è improbabile che l’archiviazione e l’informatica basati sul DNA costituiscano una parte notevole della vita di tutti i giorni, ma qualcosa che potrebbe avere un enorme impatto sulla visione d’insieme dell’umanità.