Pela primeira vez no mundo, uma ‘câmera biológica’ contorna as restrições dos métodos atuais de armazenamento de DNA, aproveitando as células vivas e seus mecanismos biológicos inerentes para codificar e armazenar dados. Isso representa um avanço significativo na codificação e armazenamento de imagens diretamente no DNA, criando um novo modelo de armazenamento de informações que lembra uma câmera digital.
Lideradas pelo pesquisador principal, professor Chueh Loo Poh, da Faculdade de Design e Engenharia da Universidade Nacional de Cingapura, e pela NUS Synthetic Biology for Clinical and Technological Innovation (SynCTI), as descobertas da equipe, que podem potencialmente abalar o armazenamento de dados indústria, foram publicados em Natureza Comunicações em 3 de julho de 2023.
Um novo paradigma para lidar com a sobrecarga global de dados
À medida que o mundo continua a gerar dados a um ritmo sem precedentes, os dados passaram a ser vistos como a ‘moeda’ do século XXI. Estimado em 33 ZB em 2018, foi previsto que a Global Datasphere atingirá 175 ZB até 2025. Isso desencadeou uma busca por uma alternativa de armazenamento que pode transcender os limites do armazenamento de dados convencional e abordar o impacto ambiental de uso intensivo de recursos centros de dados.
Só recentemente a ideia de usar o DNA para armazenar outros tipos de informação, como imagens e vídeos, ganhou atenção. Isso se deve à excepcional capacidade de armazenamento, estabilidade e relevância de longa data do DNA como meio de armazenamento de informações.
“Estamos enfrentando uma sobrecarga iminente de dados. O DNA, o principal biomaterial de todos os seres vivos na Terra, armazena informações genéticas que codificam uma série de proteínas responsáveis por várias funções vitais. Para colocar isso em perspectiva, um único grama de DNA pode conter mais de 215.000 terabytes de dados – equivalente ao armazenamento de 45 milhões de DVDs combinados”, disse o Prof. Assoc Poh.
“O DNA também é fácil de manipular com as ferramentas atuais de biologia molecular, pode ser armazenado em várias formas à temperatura ambiente e é tão durável que pode durar séculos”, diz Cheng Kai Lim, um estudante de pós-graduação que trabalha com o Prof. Poh da Assoc.
Apesar de seu imenso potencial, a pesquisa atual em armazenamento de DNA concentra-se na síntese de cadeias de DNA fora das células. Este processo é caro e depende de instrumentos complexos, que também estão sujeitos a erros.
Para superar esse gargalo, o professor Assoc Poh e sua equipe recorreram às células vivas, que contêm uma abundância de DNA que pode atuar como um ‘banco de dados’, contornando a necessidade de sintetizar o material genético externamente.
Através de pura engenhosidade e engenharia inteligente, a equipe desenvolveu ‘BacCam’ – um novo sistema que combina várias técnicas biológicas e digitais para emular as funções de uma câmera digital usando componentes biológicos.
“Imagine o DNA dentro de uma célula como um filme fotográfico não revelado”, explicou o Prof. Assoc Poh. “Usando optogenética – uma técnica que controla a atividade das células com luz semelhante ao mecanismo do obturador de uma câmera, conseguimos capturar ‘imagens’ imprimindo sinais de luz no ‘filme’ de DNA.”
Em seguida, usando técnicas de código de barras semelhantes à rotulagem de fotos, os pesquisadores marcaram as imagens capturadas para identificação exclusiva. Algoritmos de aprendizado de máquina foram empregados para organizar, classificar e reconstruir as imagens armazenadas. Estes constituem a ‘câmera biológica’, espelhando os processos de captura, armazenamento e recuperação de dados de uma câmera digital.
O estudo mostrou a capacidade da câmera de capturar e armazenar várias imagens simultaneamente usando diferentes cores de luz. Mais crucialmente, em comparação com os métodos anteriores de armazenamento de dados de DNA, o sistema inovador da equipe é facilmente reproduzível e escalável.
“À medida que ultrapassamos os limites do armazenamento de dados de DNA, há um interesse crescente em fazer a ponte entre os sistemas biológicos e digitais”, disse o Prof. Assoc Poh.
“Nosso método representa um marco importante na integração de sistemas biológicos com dispositivos digitais. Aproveitando o poder do DNA e dos circuitos optogenéticos, criamos a primeira ‘câmera digital viva’, que oferece uma abordagem econômica e eficiente para armazenamento de dados de DNA. Nosso trabalho não apenas explora outras aplicações de armazenamento de dados de DNA, mas também reprojeta as tecnologias de captura de dados existentes em uma estrutura biológica. Esperamos que isso lance as bases para a inovação contínua no registro e armazenamento de informações.”