DNA é o disco rígido do futuro

A humanidade é ótima em criar coisas, mas há uma coisa que nossa espécie cria mais do que qualquer outra coisa: informação.

Em 2013, um estudo concluiu que 90% de todos os dados mundiais tinham sido gerados nos dois anos anteriores, mas essa quantidade ainda parece pequena em comparação com os anos recentes. Em 2017, foram criados 26 zettabytes (um zettabyte = um bilhão de terabytes) de dados, o que é mais do que tudo o que foi criado nos anos 2010-2013 combinados.

De acordo com um relatório publicado em 2019, todos os dias partilhamos 95 milhões de fotos e vídeos no Instagram, publicamos 500 milhões de tweets no Twitter e enviamos 294 mil milhões de emails. Embora a Internet possa parecer etérea, todos esses dados têm de ser armazenados fisicamente, em discos rígidos e servidores em todo o mundo. O problema é que esses meios tradicionais de armazenamento de dados provavelmente não conseguirão acompanhar a esperada inundação de dados na próxima década.

Qual é a solução? O disco rígido do futuro poderia na verdade ser algo muito antigo, algo que está dentro de cada pessoa que lê isto: DNA.

Manual de instruções da natureza

O ácido desoxirribonucléico, ou DNA, é a molécula que determina como um organismo se desenvolve. Uma molécula de DNA contém quatro bases de nitrogênio – adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C) – e a sequência dessas bases formam instruções sobre como as células devem se desenvolver, influenciando coisas como cor do cabelo e dos olhos, altura e assim por diante. sobre. O DNA é essencialmente o manual de instruções para construir um corpo.

O DNA também pode conter uma quantidade impressionante de informações: 215 petabytes (1 petabyte equivale a cerca de 100 milhões de gigabytes) de dados em um único grama. Igualmente impressionante é a sua longevidade. Mídias tradicionais como fita magnética e memória flash tendem a se degradar, seja pelo uso repetido ou simplesmente pelo tempo. O ADN também se degrada, mas a um ritmo significativamente mais lento: dependendo das condições de armazenamento, pode durar milhares, ou mesmo dezenas de milhares, de anos.

Não é surpresa, portanto, que os investigadores vejam o sistema de armazenamento da natureza como um recipiente para o incessante fluxo mundial de informação.

“O círculo está quase fechando”, diz Hyunjun Park, CEO da Catalog, uma empresa que está construindo uma plataforma para armazenamento baseado em DNA. “Estamos voltando à natureza para obter inspiração para desenvolver este meio.”

A Catalog é uma das empresas na vanguarda desta tecnologia, construindo uma plataforma de armazenamento baseada em DNA que pode acomodar os arquivos cada vez maiores do 5G, era da alta definição.

Potencial maravilhoso a um preço de pesadelo

A ideia de armazenar dados em DNA foi proposta na década de 60 pelo cientista soviético Mikhail Neiman. Nas décadas seguintes, os pesquisadores fizeram grandes avanços para realmente fazê-lo, mas houve obstáculos significativos.

“O gargalo que tem impedido que essa tecnologia se torne popular”, explica Park, “foi o fato de que ela é muito cara e lenta para armazenar muitas informações”.

De acordo com um estudo publicado em 2018, a técnica de armazenamento de DNA mais econômica na época custava cerca de US$ 3.500 por MB para gravar os dados e US$ 1.000 por MB para lê-los, portanto, não aposente sua unidade de estado sólido ainda.

O Catálogo visa reduzir o custo do armazenamento de DNA criando o que eles comparam a uma impressora, o dispositivo revolucionário que usava blocos de letras intercambiáveis, revestidos de tinta, para imprimir rapidamente Páginas.

“A forma como foi feito antes”, explica Park, é que as bases do DNA –ATCG– poderiam ser usadas para “representar qualquer longa sequência de 1s e 0s, porque esses são os dados que você está tentando escrever. Mas o problema com essa abordagem é que cada par de bases adicionado tem um custo e é demorado.”

No método de impressão do Catalog, os blocos de madeira são “blocos de moléculas de DNA que pré-sintetizamos, mas em grandes quantidades. No mundo do DNA”, explica ele, “se você estiver tentando sintetizar grandes quantidades de apenas algumas moléculas diferentes – digamos, da ordem de 100 – isso é realmente barato e fácil de fazer.

“Mas se você está tentando sintetizar quantidades muito pequenas de um milhão de moléculas diferentes”, continua ele, “isso é muito caro e lento. Estamos pegando esses blocos maiores que fizemos em grandes quantidades e usando a impressora que desenvolvemos para organizá-los. combinações diferentes e juntá-las para que obtenhamos essa enorme variedade de moléculas diferentes que podemos então atribuir a diferentes informações para.”

Construindo um computador melhor por meio da natureza

Embora as capacidades de armazenamento do DNA sejam intrigantes, Park também está entusiasmado com o seu potencial para a computação. Durante anos, os computadores seguiram aproximadamente o caminho traçado pela Lei de Moore, que afirmava que a cada dois anos ou mais poderíamos duplicar o número de transístores que cabem num chip de computador. No entanto, os chips de computador tornaram-se tão pequenos hoje em dia que é cada vez mais improvável que possamos continuar a inserir mais transistores neles. Essencialmente, A Lei de Moore está morta, ou pelo menos em um hospício.

Contudo, a necessidade da humanidade por computadores cada vez maiores é viva e, por isso, os investigadores estão a correr para desenvolver novas espécies de computadores (computadores quânticos, por exemplo). Um computador baseado em DNA é uma possibilidade.

“Acreditamos que, uma vez que tenhamos dados no DNA, poderemos usar enzimas e outras moléculas de DNA para calcular esses dados”, diz Park, “e essa é uma maneira altamente eficiente e extremamente paralela de calcular esses dados. Não será para todas as aplicações do dia a dia ou para todos os problemas computacionais, mas para um conjunto de problemas que se tornam cada vez mais importantes para a sociedade, acreditamos que o DNA será uma ótima maneira de resolver isto."

Park diz que os computadores de DNA seriam adequados para problemas onde você tem uma grande quantidade de dados, mas os cálculos que você precisa fazer não são muito complexos. Como exemplo, ele imagina um cenário em que alguém precise vasculhar exabytes de dados do censo.

“Você quer ser capaz de pesquisar rapidamente tudo isso simultaneamente e encontrar nomes de pessoas que atendem a um determinado conjunto de critérios, como uma determinada faixa etária ou faixa de renda ou região geográfica”, ele diz. “Para fazer isso em um computador tradicional, para poder percorrer todos os exabytes que você reuniu durante décadas, você teria que ler a fita magnética que está no armazenamento refrigerado... então calcule-o em blocos que cabem na memória e, em seguida, em blocos que caibam na unidade de processamento, e faça isso em série maneiras. Se você tiver isso no DNA, o volume seria muito pequeno por causa da densidade de informação do DNA, e então você estaria inserindo algumas sondagens que se vinculam à característica que você está procurando para."

Uma revolução no horizonte

Então, quando você deve se preparar para jogar fora seu equipamento atual e substituí-lo por peças de computador bioorgânicas? Provavelmente não tão cedo.

“Penso que num futuro próximo”, diz Park, “o processo de escrita em que se convertem dados digitais em ADN acontecerá em instalações especializadas”. Dados de ADN as instalações abrigarão os dados baseados em DNA, que as pessoas podem acessar como fariam com um servidor tradicional, embora ele sugira que as pessoas possam obter cópias de seus dados em testes tubos.

Por enquanto, o armazenamento e a computação baseados em DNA provavelmente não serão uma parte perceptível da vida cotidiana, mas algo que poderá ter um enorme impacto na visão geral da humanidade.