Fita cassete de DNA de Shenzhen armazena 36 petabytes

Pesquisadores em Shenzhen, na China, construíram uma “fita cassete” capaz de guardar dados digitais na forma de fitas de DNA sobre uma película plástica fina. Um único protótipo comporta 36 petabytes, o que equivale a cerca de um milhão de gigabytes de informação - espaço suficiente para armazenar mais de três mil milhões de músicas.

Neste sistema, ficheiros digitais são convertidos em sequências de A, T, C e G - as quatro letras do DNA que codificam a informação genética. Essas sequências passam a representar, na prática, os zeros e uns usados pelos computadores.

Para montar a fita, a equipa imprime pequenas cadeias de DNA sintético como minúsculos pontos sobre um filme plástico flexível. Depois, esse filme é cortado e enrolado, formando uma fita estreita que desliza de forma estável entre carretéis.

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

A linha de investigação do grupo procura desenvolver dispositivos baseados em DNA tanto para guardar informação quanto para executar tarefas moleculares úteis.

Os investigadores queriam que a “cassete” fosse compatível com as máquinas de DNA já presentes em laboratórios. Para isso, desenharam a fita de modo que instrumentos padrão de escrita de DNA e ferramentas de sequenciação consigam interagir, em sequência, com cada secção.

Armazenar dados em DNA

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

Cada bloco branco mantém um fragmento distinto de DNA, funcionando como uma pequena divisória - uma secção de armazenamento separada na própria fita.

Numa fita com pouco mais de 800 metros de comprimento, os autores calculam existir cerca de 550.000 desses espaços destinados a ficheiros.

Um pequeno leitor óptico acompanha os códigos de barras enquanto motores fazem a fita avançar, identificando a divisória correcta assim que o padrão aparece.

Nos testes, o sistema conseguiu encontrar cerca de 1.570 posições diferentes de ficheiros por segundo ao longo da fita em movimento.

Vantagens de guardar dados em DNA

O volume de dados digitais no mundo cresce rapidamente, à medida que mais pessoas fazem streaming, compram online e ligam dispositivos à internet.

Uma análise do sector estima que a quantidade total de dados armazenados pode chegar a cerca de 175 biliões de gigabytes em meados da década de 2020.

Manter todos esses bits disponíveis consome muita electricidade em enormes centros de dados - edifícios do tamanho de armazéns, cheios de servidores que operam dia e noite.

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

Como material, o DNA pode, em princípio, concentrar quantidades gigantescas de informação numa massa muito pequena. A equipa da cassete ressalta que 1 grama de DNA consegue armazenar cerca de 455 exabytes - aproximadamente um bilião de gigabytes.

Pesquisas com ossos antigos mostram que as cadeias de DNA se degradam lentamente ao longo de séculos. Com base nessas medições, cientistas estimaram uma meia-vida do DNA - o tempo para metade das moléculas se romper - de cerca de 521 anos em amostras enterradas.

Leitura e regravação da cassete

Dentro da unidade, carretéis e motores deslocam a fita, enquanto um pequeno controlador regista a localização de cada ficheiro. Quando um ficheiro é seleccionado, a máquina posiciona a divisória correcta dentro de uma microcâmara de reacção preenchida com líquido.

Uma base química suave separa uma das cadeias do DNA de dupla hélice, desprendendo-a da fita e libertando-a na solução. Em seguida, essa cadeia livre é lida por sequenciação de DNA, processo que determina, letra a letra, a ordem das bases.

Como uma das cadeias permanece fixada na fita, ela pode servir de molde para reconstruir novamente o DNA de dupla hélice após cada leitura.

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

Para apagar dados, uma enzima corta o DNA preso num local escolhido, fazendo com que a cadeia se solte e seja levada pela lavagem. O ponto de ancoragem vazio pode então capturar uma nova sequência de DNA, e os testes indicaram que cerca de 99,9% da informação original foi substituída.

Proteger o DNA por séculos

Para manter o DNA protegido, os investigadores revestiram as divisórias com uma “casca” cristalina feita de uma estrutura metal-orgânica, que bloqueia água e enzimas.

Trabalhos anteriores já tinham mostrado que DNA selado em materiais à base de sílica consegue preservar informação digital durante séculos, mesmo sob temperaturas elevadas.

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

Eles também calcularam que, em ambientes mais frios - como cadeias de altas montanhas - o DNA poderia continuar legível por dezenas de milhares de anos.

DNA, armazenamento de dados e o futuro

Apesar da capacidade enorme, a cassete é muito lenta quando comparada com dispositivos de armazenamento comuns. Na demonstração, copiar dados para a fita e lê-los de volta levou dezenas de minutos para um ficheiro de apenas algumas centenas de quilobytes.

A síntese de grandes conjuntos de cadeias de DNA ainda é cara, e muitas máquinas de sequenciação são equipamentos volumosos, normalmente restritos a laboratórios especializados.

Os autores esperam que, com a queda dos custos da biotecnologia e o surgimento de química mais rápida, o armazenamento de DNA no formato de cassete se torne uma solução prática para arquivar dados.

Por enquanto, a cassete de DNA é um protótipo de laboratório cuidadosamente desenvolvido, que ilustra como o armazenamento molecular poderá, no futuro, lidar com a enxurrada de ficheiros digitais.

Se a química e o hardware evoluírem o suficiente, versões futuras podem transformar cartuchos de DNA em estilo cassete em cofres duráveis para músicas, filmes e acervos.