Cassete de ADN em Shenzhen guarda 36 petabytes de dados

Investigadores em Shenzhen, na China, construíram uma “cassete” capaz de guardar dados digitais sob a forma de cadeias de ADN impressas numa fita plástica muito fina. Um único protótipo consegue armazenar 36 petabytes - cerca de um milhão de gigabytes de informação - o suficiente para guardar mais de três mil milhões de músicas.

Neste sistema, os ficheiros digitais são convertidos em sequências de A, T, C e G, as quatro letras do ADN responsáveis por codificar informação genética. Essas sequências passam, assim, a representar os zeros e uns usados pelos computadores.

A equipa imprime pequenos segmentos de ADN sintético como minúsculos pontos numa película de plástico flexível. Depois, essa película é cortada e enrolada para formar uma fita estreita que se desloca suavemente entre duas bobinas.

O trabalho foi liderado por Xingyu Jiang, engenheiro biomédico da Southern University of Science and Technology (SUST), em Shenzhen.

A sua investigação centra-se na criação de dispositivos baseados em ADN capazes de armazenar informação e executar tarefas moleculares úteis.

O grupo quis que a cassete fosse compatível com as máquinas de ADN já comuns nos laboratórios. Para isso, foi necessário conceber a fita de modo a que instrumentos padrão de escrita de ADN e ferramentas de sequenciação consigam interagir, sequencialmente, com cada secção.

Armazenar dados em ADN

Ao longo da fita, blocos de espaço branco absorvem a solução de ADN. Faixas pretas revestidas com tinta repelente de água impedem que o líquido se espalhe lateralmente.

Cada bloco branco mantém uma porção independente de ADN, funcionando como uma pequena partição - uma secção de armazenamento isolada na própria fita.

Numa fita com um comprimento um pouco superior a 800 metros, os investigadores estimam existirem cerca de 550,000 destas “ranhuras” de ficheiros.

Um pequeno leitor óptico acompanha os códigos de barras enquanto motores fazem a fita girar, identificando a partição correcta assim que o padrão correspondente surge.

Nos testes, o sistema foi capaz de localizar aproximadamente 1,570 posições de ficheiros por segundo ao longo da fita em movimento.

Vantagens de guardar dados em ADN

O volume global de dados digitais está a aumentar rapidamente, à medida que mais pessoas fazem streaming de conteúdos, compram online e ligam dispositivos à internet.

Uma análise do sector prevê que o volume total de dados armazenados possa chegar a cerca de 175 biliões de gigabytes a meio da década de 2020.

Manter todos esses bits online consome muita electricidade em centros de dados do tamanho de armazéns - edifícios repletos de servidores a funcionar dia e noite.

Um relatório recente do Departamento de Energia concluiu que os centros de dados já utilizam cerca de 4,4% da electricidade dos Estados Unidos.

Em teoria, o ADN consegue concentrar quantidades enormes de dados numa massa muito pequena. A equipa da cassete assinala que 1 grama de ADN pode armazenar cerca de 455 exabytes, ou seja, aproximadamente um mil milhões de gigabytes.

Estudos com ossos antigos mostram que as cadeias de ADN se degradam lentamente ao longo de séculos. A partir dessas medições, os investigadores estimaram uma semi-vida do ADN - o tempo necessário para metade das moléculas se partir - de cerca de 521 anos em amostras enterradas.

Leitura e regravação da cassete

No interior da unidade de leitura, bobinas e motores deslocam a fita, enquanto um pequeno controlador regista a localização de cada ficheiro. Quando se selecciona um ficheiro, a máquina posiciona a partição certa dentro de uma pequena câmara de reacção cheia de líquido.

Uma base química suave remove uma das cadeias do ADN de dupla hélice da fita e liberta-a para a solução. Essa cadeia solta é depois lida por sequenciação de ADN, o processo que determina a ordem das letras do ADN, uma a uma.

Como uma das cadeias permanece presa à fita, ela pode servir de molde para reconstruir novamente o ADN de dupla cadeia após cada leitura.

Em experiências, a equipa recuperou repetidamente o mesmo ficheiro dez vezes a partir do mesmo ponto microscópico, sem perder a capacidade de o descodificar.

Para apagar dados, uma enzima corta o ADN ligado num ponto escolhido, fazendo com que a cadeia se desprenda e seja levada pela lavagem. Esse “suporte” vazio pode então capturar uma nova sequência de ADN e, nos testes, cerca de 99.9% da informação original foi substituída.

Proteger o ADN durante séculos

Para manter o ADN protegido, os investigadores revestiram as partições com uma “concha” cristalina feita a partir de uma estrutura metal-orgânica (MOF), que bloqueia a água e as enzimas.

Trabalhos anteriores já tinham mostrado que o ADN selado em materiais à base de sílica pode preservar informação digital durante séculos, mesmo a temperaturas elevadas.

Ao aquecer fitas revestidas durante semanas e ao monitorizar os danos, a equipa estimou que o ADN poderia durar mais de três séculos à temperatura ambiente.

Também calcularam que, em ambientes mais frios - como cadeias de alta montanha - o ADN poderá manter-se legível durante dezenas de milhares de anos.

ADN, armazenamento de dados e o futuro

Apesar da capacidade muito elevada, esta cassete é extremamente lenta quando comparada com dispositivos de armazenamento familiares. Na demonstração, copiar dados para e a partir da fita demorou dezenas de minutos para um ficheiro com apenas algumas centenas de kilobytes.

A síntese de grandes conjuntos de cadeias de ADN continua a ser dispendiosa e muitas máquinas de sequenciação ainda são instrumentos volumosos, normalmente instalados em laboratórios especializados.

Os investigadores esperam que, com a descida dos custos da biotecnologia e com o aparecimento de química mais rápida, o armazenamento em ADN no formato de cassete se torne uma forma prática de arquivar dados.

Por agora, a cassete de ADN é um protótipo laboratorial meticuloso, que ilustra como o armazenamento molecular poderá, um dia, lidar com a avalanche de ficheiros digitais.

Se a química e o hardware evoluírem ao mesmo ritmo, versões futuras poderão transformar cartuchos de ADN em formato de cassete em cofres de longa duração para música, filmes e arquivos.