Almacenar datos en el ADN es mucho más fácil que recuperarlos

La humanidad está creando información a un ritmo sin precedentes: unos 16 zettabytes cada año (un zettabyte son mil millones de terabytes). Y esta tasa está aumentando. El año pasado, el grupo de investigación IDC calculó que produciremos más de 160 zettabytes cada año para 2025.

Todos estos datos deben almacenarse y, como resultado, necesitamos una memoria mucho más densa que la que tenemos hoy. Una solución intrigante es explotar la estructura molecular del ADN. Los investigadores saben desde hace mucho tiempo que el ADN se puede utilizar para el almacenamiento de datos; después de todo, almacena el modelo para crear humanos individuales y lo transmite de una generación a la siguiente.

Lo que es impresionante para los científicos informáticos es la densidad de los datos que almacena el ADN: un solo gramo puede contener aproximadamente un zettabyte.

Pero nadie ha ideado un sistema realista para almacenar datos en una biblioteca de ADN y luego recuperarlos cuando sea necesario.

Hoy eso cambia gracias al trabajo de Federico Tavella en la Universidad de Padua en Italia y sus colegas, quienes diseñaron y probaron una técnica de este tipo basada en nanoredes bacterianas.

El principio es simple. Las bacterias a menudo transportan información genética en forma de pequeños anillos circulares de ADN de doble cadena llamados plásmidos. Estas moléculas son importantes porque a menudo confieren alguna ventaja a la célula huésped, como la resistencia a los antibióticos.

Fundamentalmente, las bacterias pueden transferir plásmidos de una célula a otra en un proceso conocido como conjugación. Esta es una forma en que las bacterias intercambian información genética, y el proceso forma una nanored fantásticamente compleja en la naturaleza.

Esa es la base de la nueva técnica. Tavella y compañía quieren explotar esta nanored para transferir información que han modificado genéticamente a los plásmidos.

La idea es almacenar datos en plásmidos dentro de células bacterianas que quedan atrapadas en un lugar específico. Para recuperar esta información, los investigadores envían bacterias móviles a este sitio, donde se conjugan con las bacterias atrapadas y capturan los plásmidos portadores de datos. Finalmente, las bacterias móviles llevan esta información a un dispositivo que extrae los plásmidos y lee los datos que transportan.

Tavella y compañía incluso han realizado un experimento de prueba de principio, utilizando dos cepas diferentes de E. coli —HB101 y Novablue— que son resistentes a diferentes antibióticos. HB101 es resistente a la estreptomicina, mientras que Novablue tiene plásmidos resistentes a la tetraciclina. Novablue puede transmitir esta resistencia a HB101 mediante la transferencia de estos plásmidos durante la conjugación.

Eso le da al equipo control sobre dónde pueden crecer las bacterias. Por ejemplo, Novablue puede sobrevivir en presencia de tetraciclina, pero HB101 no puede, a menos que se haya conjugado con Novablue y se vuelva resistente.

Entonces, la memoria prototipo consta de un área de almacenamiento de datos, un lector de datos y un canal de transferencia de datos que los conecta. Para almacenar datos, los investigadores codifican un mensaje simple en los plásmidos resistentes a la tetraciclina que transporta la bacteria Novablue. De acuerdo con la tradición, el mensaje es Hello World. También incluyen un tinte fluorescente en el plásmido para que puedan monitorear su movimiento.

Para empezar, las bacterias Novablue se colocan en el área de almacenamiento de datos, de donde no pueden escapar. En la práctica, esta es una superficie plana de agar duro que no es adecuada para la motilidad bacteriana. En cualquier caso, el equipo rodea esto con estreptomicina, que mata a Novablue.

El canal de transferencia de datos se ejecuta desde una fuente de bacterias HB101 a través del área de almacenamiento de datos y luego hacia el lector de datos. Este consiste en agar blando que es adecuado para la motilidad bacteriana. Y dado que HB101 es resistente a la estreptomicina, puede moverse a través de este canal con relativa facilidad.

Sin embargo, la región entre el área de almacenamiento de datos y el lector de datos es rica en tetraciclina y estreptomicina. Y esto evita que ambas bacterias viajen a través de él.

Lo que sucede a continuación es clave. La bacteria HB101 viaja al área de almacenamiento de datos, se conjuga con la bacteria Novablue y recoge los plásmidos portadores de datos.

Pero esto también les da resistencia a la tetraciclina. Y eso significa que cuando han recogido los datos, pueden viajar a través del canal hasta el lector de datos. Luego, los investigadores extraen los plásmidos y leen los datos: Hello World. Pueden observar la forma en que la información fluye a través de esta red gracias al tinte fluorescente.

No es exactamente rápido: la bacteria HB101 tarda unas 72 horas en atravesar el canal de agar. Entonces, las tasas de datos son como un caracol. Pero el experimento muestra cómo podría funcionar en principio un archivo de datos de ADN.

Hay otro elemento importante de un archivo de datos. En tal sistema, habrá muchas ubicaciones de almacenamiento de datos, y cada una deberá ser direccionable. En otras palabras, debe haber una manera para que la bacteria de transferencia de datos encuentre cada ubicación.

Tavella y compañía también tienen una respuesta para esto: un sistema de posicionamiento molecular que es análogo al Sistema de Posicionamiento Global. Esto se basa en balizas que liberan una sustancia química que atrae a las bacterias. De hecho, las bacterias pueden diseñarse para seguir estos rastros químicos.

Luego, con tres rastros químicos diferentes, es posible triangular una posición en el espacio. Cuando las bacterias móviles siguen los tres senderos, terminan en el lugar donde se superponen las tres señales químicas. En las simulaciones, dicen los investigadores, este proceso funciona bien, pero aún tienen que probarlo en un laboratorio húmedo.

Sin embargo, el trabajo es un paso interesante hacia el almacenamiento práctico de datos basado en el ADN. Nuestra solución permite que la información codificada digitalmente se almacene en bacterias no móviles, que componen una arquitectura de archivo de grupos, y que las bacterias móviles diseñadas la recuperen más tarde, siempre que se necesiten operaciones de lectura, dicen Tavella y compañía.

Y el experimento de prueba de principio muestra cómo podría funcionar esto. Hemos realizado experimentos de laboratorio húmedo que muestran cómo las nanoredes de bacterias pueden recuperar de manera efectiva un mensaje simple, como 'Hola mundo', mediante la conjugación con bacterias inmóviles, y finalmente movilizarse hacia un punto final, dicen.

Por supuesto, hay muchos desafíos por delante. El sistema de posicionamiento molecular es interesante, pero deberá probarse en un laboratorio húmedo para ver qué tan versátil y práctico puede ser. Y las tasas de datos deberán aumentar. Eso no será posible aumentando la velocidad a la que viajan las bacterias, pero las tasas podrían mejorar significativamente aumentando la cantidad de datos que almacena cada plásmido.

Primeros días para una técnica potencialmente emocionante.

Ref: arxiv.org/abs/1801.04774 : Sistema de almacenamiento molecular de ADN: transferencia de información codificada digitalmente a través de nanoredes bacterianas

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