Datos a Células

por Edd Gent

A medida que el mundo moderno produce cada vez más datos, los investigadores están luchando para encontrar nuevas maneras de almacenar todo. El ADN es prometedor como medio de almacenamiento extremadamente compacto y estable, y ahora un nuevo enfoque podría permitirnos escribir datos digitales directamente en los genomas de las células vivas.

Datos a Células

Los esfuerzos para reutilizar la tecnología de memoria incorporada de la naturaleza no son nuevos, pero en la última década el enfoque ha ganado un interés renovado y ha experimentado algunos avances importantes. Eso ha sido impulsado por una explosión de datos que no muestra signos de desaceleración. Para 2025, se estima que se crearán 463 exabytes cada día en todo el mundo.

El almacenamiento de todos estos datos podría volverse poco práctico rápidamente con la tecnología de silicio convencional, pero el ADN podría tener la respuesta. Para empezar, su densidad de información es millones de veces mejor que la de los discos duros convencionales, con un solo gramo de ADN capaz de almacenar hasta 215 millones de gigabytes .

También es muy estable si se almacena correctamente. En 2017, los investigadores pudieron extraer el genoma completo de una especie de caballo extinta de hace 700.000 años . Aprender a almacenar y manipular datos utilizando el mismo lenguaje que la naturaleza también podría abrir la puerta a una gran cantidad de nuevas capacidades en biotecnología.

La principal complicación radica en encontrar una manera de conectar el mundo digital de las computadoras y los datos con el mundo bioquímico de la genética. En la actualidad, esto se basa en la síntesis de ADN en el laboratorio y, si bien los costos están cayendo rápidamente, sigue siendo un negocio complicado y costoso . Una vez sintetizadas, las secuencias deben almacenarse cuidadosamente in vitro hasta que estén listas para volver a acceder a ellas, o pueden empalmarse en células vivas utilizando la tecnología de edición de genes CRISPR.

Ahora, sin embargo, los investigadores de la Universidad de Columbia han demostrado un nuevo enfoque que puede convertir directamente en señales electrónicas digitales almacenados los datos genéticos en el genoma s de las células vivas. Eso podría conducir a una gran cantidad de aplicaciones tanto para el almacenamiento de datos como más allá, dice Harris Wang, quien dirigió la investigación publicada en Nature Chemical Biology .

“Imagínese tener discos duros móviles que puedan computar y reconfigurar físicamente en tiempo real”, escribió en un correo electrónico a Singularity Hub . “Creemos que el primer paso es poder codificar directamente datos binarios en células, sin tener que hacer una síntesis de ADN in vitro.

“Esta es quizás la parte más difícil de todos los enfoques de almacenamiento de ADN. Si puede hacer que las células hablen directamente con una computadora e interconectar su sistema de memoria basado en ADN con un sistema de memoria basado en silicio, entonces hay muchas posibilidades en el futuro “.

El trabajo se basa en un registrador celular basado en CRISPR que Wang había diseñado previamente para la bacteria E. coli , que detecta la presencia de ciertas secuencias de ADN dentro de la célula y registra esta señal en el genoma del organismo.

El sistema incluye un “módulo de detección” basado en ADN que produce niveles elevados de una “secuencia de activación” en respuesta a señales biológicas específicas. Estas secuencias se incorporan en la “cinta de teletipo de ADN” de la grabadora para documentar la señal.

En este nuevo trabajo, Wang y sus colegas adaptaron el módulo de detección para que funcione con un biosensor desarrollado por otro equipo que reacciona a las señales eléctricas. Luego, se colocaron grandes poblaciones de bacterias en un dispositivo compuesto por una serie de cámaras que permitieron al equipo exponerlas a señales eléctricas.

Cuando aplicaron un voltaje, los niveles de la secuencia de activación se elevaron y se registraron en la cinta de teletipo de ADN. Se utilizaron tramos con altas proporciones de secuencia de activación para representar un “1” binario y su ausencia un “0”, lo que permitió a los investigadores codificar directamente información digital en el genoma de la bacteria.

La cantidad de datos que puede contener una sola celda es bastante pequeña, solo tres bits. Entonces, los investigadores idearon una forma de codificar 24 poblaciones separadas de bacterias con diferentes fragmentos de datos de 3 bits simultáneamente para un total de 72 bits. Usaron esto para codificar el mensaje “¡hola mundo!” en la bacteria, y demostró que al secuenciar la población combinada y usar un clasificador especialmente diseñado, podían recuperar el mensaje con una precisión del 98 por ciento.

Obviamente, 72 bits está muy lejos de la capacidad de almacenamiento de los discos duros modernos, e incluso las técnicas de almacenamiento de ADN sin células ahora funcionan en gigabits . Pero Wang dice que esto es solo una prueba de concepto, y hay mucho margen para aumentar la eficiencia de la maquinaria CRISPR que alimenta la grabadora, la longitud de la cinta de teletipo que se puede leer de manera confiable e incluso la electrónica utilizada para codificar el datos.

“ Todas estas cosas van a mejorar en los próximos años y definitivamente creo que es posible ampliar masivamente la capacidad del sistema en varios órdenes de magnitud incluso en el corto plazo”, dijo .

Y el almacenamiento de datos en células en lugar de in vitro tiene una serie de beneficios significativos, agregó. Para empezar, es mucho más económico amplificar o duplicar los datos porque simplemente puede hacer crecer más células en lugar de tener que realizar una compleja síntesis de ADN artificial. En el documento, el equipo demostró que la información registrada se mantuvo estable durante entre 60 y 80 generaciones de células.

Las células también tienen una capacidad nativa para mantener el ADN a salvo de perturbaciones ambientales. Demostraron esto agregando las células de E. coli a tierra para macetas sin esterilizar y luego recuperando de manera confiable un mensaje de 52 bits secuenciando la comunidad microbiana del suelo combinada.

Quizás lo más emocionante, sin embargo, es la posibilidad de acoplar esta capacidad de registro de datos a la investigación emergente sobre biocomputadoras . Los investigadores ya han comenzado a diseñar el ADN de las células para permitirles realizar operaciones lógicas y de memoria , pero la creación de una interfaz directa entre el silicio y los genomas podría acelerar significativamente nuestra capacidad de reprogramar células para nuestros propios dispositivos.

Crédito de la imagen: Ricarda Mölck de Pixabay

Fuente: https://singularityhub.com/2021/01/11/new-research-could-enable-direct-data-transfer-from-computers-to-living-cells/

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