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Immagazzinamento dati: il DNA come hard disk del futuro

Scritto da Giampiero Marino
L’aumento esponenziale della quantità di informazioni sotto forma di dati digitali ha fatto in modo che si avviasse la ricerca di metodi sempre più efficaci e duraturi per migliorarne l’immagazzinamento. La soluzione a tale esigenza non trova risposta nei classici server o nel più innovativo ambiente cloud, ma la nuova frontiera dello stoccaggio dei dati, da qualche anno, sembrerebbe essersi spinta verso qualcosa di più rivoluzionario: l’utilizzo del principale e storico hard disk naturale, responsabile dell’informazione genetica: il DNA.

La scelta del DNA sembrerebbe dovuta al suo aspetto ultra-compatto e alla sua di efficacia di immagazzinamento, infatti il rapporto tra quantità dell’informazione e spazio occupato per contenerla sembrerebbe di gran lunga superiore agli attuali metodi di stoccaggio dati.

Altro fattore fondamentale ricadrebbe nella capacità delle sue molecole, conservate nel loro habitat naturale, di restare stabili nel tempo in modo che le informazioni possano tramandarsi senza subire mutazioni. Situazione impensabile con le attuali tecnologie.

sciencemag.org

La ricerca e i risultati ottenuti

I primi studi su come immagazzinare i dati nel DNA iniziati nel 2012 sono stati condotti da alcuni ricercatori dell’Università di Harvard.

Lo stoccaggio dei dati è avvenuto in seguito alla conversione dell’informazione binaria contenuta nei dati digitali (0 e 1) nell’informazione quaternaria contenuta nel DNA, rappresentata dalle sue basi nucleotidiche (A, T, G e C).

Usando tale tecnica i ricercatori sono stati, così, capaci di codificare un libro di 52.000 parole in migliaia di frammenti di DNA.

Tale risultato, seppur sbalorditivo, presentava dei limiti sia nell’algoritmo utilizzato per l’inziale codifica sia nel processo di successiva decodifica. Infatti, analizzando il dato decodificato dopo l’inserimento nel DNA si notavano delle alterazioni dell’informazione rispetto allo stato iniziale.

Secondo quanto riportato recentemente su Science, il lavoro condotto ad Harvard sarebbe servito da apripista ad ulteriori approfondimenti scientifici ed infatti stando ad uno studio svolto in collaborazione tra Dina Zielinski del New York Genome Center e Yaniv Erlic della Columbia University, lo stoccaggio dei dati all’interno del DNA non avrebbe più segreti.

http://blogs.discovermagazine.com - New York Genome Center

I due ricercatori hanno, difatti, annunciato di aver individuato l’algoritmo, denominato “DNA fountain”, che permette una completa conversione dei dati e di essere riusciti a ottenere un processo di immagazzinamento del 100 percento privo di errori e di circa il 60 percento più efficiente rispetto ai risultati precedenti. Questo metodo risulterebbe essere decisamente più efficace dei precedenti e permetterebbe di stoccare sempre più dati nei filamenti di DNA.

Stiamo parlando di 215.000.000 gigabyte in un grammo di DNA

 

Il nuovo approccio, però, non è ancora pronto per essere utilizzato su larga scala. Il costo sembrerebbe essere il problema principale. Infatti il prezzo di codifica di circa 2 megabyte si aggirerebbe intorno ai 7000 dollari e altri 2000 dollari servirebbero nel processo di decodifica.

Altro aspetto da migliorare sarebbero i tempi dei processi di lettura e scrittura nel DNA che se confrontati con altre forme di memorizzazione dei dati risulterebbero ancora relativamente lenti.

La comunità scientifica come sempre non si pone limiti e, quindi, questi ostacoli potrebbero essere superati nel giro di pochi anni.

Lo stoccaggio nel DNA per studiare l’evoluzione cellulare

L’immagazzinamento dei dati nel DNA sembrerebbe un punto di arrivo, ma invece, è da considerarsi solo un punto di partenza.

Secondo quanto riportato su Nature, il neuroscenziato di Harvard Seth Shipman, insieme al suo gruppo di lavoro, ha dimostrato che è possibile inserire un’immagine o un video all’interno del DNA di un organismo vivente.

Sarebbe, infatti, riuscito a codificare una GIF, rappresentate un uomo al galoppo, di 36 x26 pixel all’interno il batterio E.Coli  sfruttando la metodologia di modifica dei geni CRISPR e utilizzandola per l’immagazzinamento dei dati.

Gif: Seth Shipman/Nature Research

L’intento di questo studio è spiegato direttamente da Shipman il quale vuole usare la possibilità di immagazzinamento all’interno del DNA per registrare l’attività biologica delle cellule:

Adesso forniamo informazioni sul DNA che conosciamo. Vogliamo registrare informazioni che non conosciamo. Un giorno potremmo seguire tutte le decisioni del passaggio da una cellula staminale precoce a un tipo altamente specializzato di cellule del cervello, portando così ad una migliore comprensione di come si sviluppano i processi biologici di base e come vengono coordinati.

 

L’obiettivo ultimo del professor Shipman sarebbe, quindi, quello di cominciare a conoscere come si sviluppano le nostre cellule nelle loro prime fasi e soprattutto di riuscire a carpire maggiori informazioni dall processo di  trasformazione delle cellule staminali nelle più differenziate cellule presenti nel nostro organismo, poiché sembrerebbero esserci ancora dei punti oscuri nello sviluppo di quest’ultime.

In questo caso, l’”installazione” all’interno del Dna di un sistema di archiviazione dati incorporato nelle celle potrebbe darci uno storico cronologico della sua attività.

In conclusione, l’approccio definito potrebbe servire da spartiacque con le tecnologie precedenti e portare a dei netti miglioramenti nello studio delle cellule per la terapia rigenerativa e per ciò che viene definito con il termine di “disease modeling”.

Riferimenti e approfondimenti

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Informazioni autore

Giampiero Marino

Ingegnere Biomedico, iscritto all'albo di Ingegneri di Napoli nel settore Industriale, coltivo da sempre interesse per l'innovazione tecnologica e del modo in cui essa si possa essere utilizzata al servizio comunità al fine di renderne i processi quotidiani più snelli ed ottimizzati.

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