Într-o eprubetă, conținând ADN artificial, au fost codificate mii de copii ale Bibliei, în două limbi

“Să strângă aceia toată pâinea de prisos în aceşti ani buni ce vin şi s-o adune în cetăţile pâinii, sub mâna lui Faraon, şi să o păstreze spre hrană” – Facerea 41:35

Lumea este copleșită de date digitale – informațiile prezente pe Internet – de la YouTube la rețele de socializare precum Facebook și Wikipedia. Unde sunt stocate acestea? Pe “ferme” de servere – depozite masive de programe și dispozitive ce furnizează servicii către alte programe și utilizatorii săi, cunoscuți ca și clienți. Într-un centru de date, computerul în care rulează un sistem de operare este cunoscut ca și un server.

Nu numai că acestea ocupă spațiu, ele consumă și un volum imens de electricitate și generează poluare – 2% dintre emisiile globale de carbon, o rată similară cu cea a traficului aerian global și 3% din consumul global de electricitate, mai mult decât cel al Marii Britanii.

Însă acum cercetătorii de la Institutul Tehnologic Technion-Israel din Haifa și Centrul Interdisciplinar (IDC) din Herzliya au demonstrat cum se pot stoca asemenea informații în cadrul “ADN-ului artificial”.

În ființele vii, inclusiv oamenii, secvențele de ADN compun genele din toate celulele ce conțin informații cu caracter genetic și influențează fenotipul (un set de caracteristici observabile rezultate din interacțiunile genotipului cu mediul).

Cercetătorii israelieni, ce au dat dovadă de progrese remarcabile în eficientizarea procesului necesar pentru a stoca informații digitale în ADN artificial, și-au publicat cercetările în prestigiosul jurnal Nature Biotechnology.

Într-unul din rafturile din laboratorul Technion se găsește o eprubetă conținând 10 nanograme (o miliardime dintr-un gram) de ADN artificial, codificând mii de copii a unei versiuni bilingve a Bibliei.

Astfel ei au demonstrat că datele digitale pot fi stocate într-o densitate de peste 10 petabytes (un petabyte – PB – este egal cu un milion de gigabytes) într-un singur gram de ADN, îmbunătățind considerabil în același timp procesul de scriere. O asemenea densitate ar permite întregului ansamblu de informații stocate pe YouTube să încapă într-o singură linguriță.

Studiul a fost condus de către studentul doctorand la Facultatea de Informatică Technion și Efi Arazi la Centrul Interdisciplinar Herzliya. Studiul a fost desfășurat în colaborare cu Laboratorul de Biologie Sintetică al Profesorului Roee Amit la Facultatea de Biotehnologie și Inginerie Alimentară Technion.

Cantitatea de informații disponibilă umanității a crescut într-un ritm uimitor de când IBM a inventat hard disk-ul în anii 1950. Stocarea acestor informații a devenit o provocare majoră, nu numai în contextul tehnologic dar și în ceea ce privește aspectele economice și cele de mediu.

Fermele de servere sunt actualmente responsabile pentru… Pentru a contracara această situație, o nouă abordare tehnologică a fost dezvoltată în ultimul deceniu: stocarea informatică în ADN. Această tehnologie permite o minimizare semnificativă, o retenție a informațiilor pe termen mai lung (de o mie de ori), și un cost de întreținere energetic și economic nul.

Ideea de bază a codificării informațiilor în cadrul ADN-ului constă în faptul că molecula de ADN este reprezentată printr-un lanț compus din legături numite nucleotide. Nucleotidele sunt clasificate în patru tipuri reprezentate cu literele A, C, G și T. Pentru a stoca informații în ADN, fiecare secvență binară (constând în simboluri de 0 și 1) trebuie transpusă într-o secvență compusă din aceste litere. În următorul pas, printr-un proces denumit sinteză, molecule propriu-zise de ADN sunt produse în concordanță cu aceste secvențe. Pentru a se citi datele, moleculele de ADN sunt secvențiate. Secvențierea ADN-ului generează o reprezentare a secvențelor de nucleotide ce alcătuiesc fiecare dintre molecule. Aceasta este apoi transpusă într-o secvență binară ce corespunde mesajului original. Tehnologiile moderne permit sinteza a mii de serii de nucleotide în paralel.

Stocarea informațiilor în gene artificiale constituie o provocare tehnologică foarte complexă. În domeniul citirii (secvențierii), a avut loc un progres extraordinar datorat revoluției genomului; dar cu toate acestea, în privința scrierii informațiilor există încă mari dificultăți tehnologice iar costurile sunt mai ridicate. Aceasta este importanța inovației realizate la Technion și IDC Herzliya. Ea permite: (1) creșterea numărului de litere utilizate pentru a codifica informațiile (în plus față de cele 4 litere originale); (2) reducerea semnificativă a numărului de procese de sinteză necesare pentru a stoca informațiile pe ADN; (3) îmbunătățirea mecanismului de corecție a erorilor utilizat.

Cercetătorii israelieni au crescut numărul de litere posibile în afara celor patru existente în ADN-ul natural, utilizând noi litere obținute prin combinații unice a literelor orignale. Ideea este similară formării unor nou culori prin amestecul culorilor de bază. Creșterea numărului de litere permite codificarea mai multor informații în fiecare dintre literele secvenței.

Potrivit lui Yakhini, “Procesele curente de sinteză și secvențiere sunt în mod intrinsec redundante deoarece fiecare moleculă este produsă într-un număr mare și citită în copii multiple în decursul secvențierii. Metoda pe care am dezvoltat-o crește numărul de litere mult peste cele patru originale, permițându-ne sa codificăm și să scriem fiecare unitate de informații în mai puține cicluri de sinteză.” Echipa a demonstrat o reducere a numărului de procese de sinteză cu 20%, putându-se reduce pe viitor cu 75% făra eforturi majore. Astfel, procesele de stocare vor putea deveni mai rapide și mai puțin costisitoare.

“În acestă lucrare am implementat un sistem de stocare bazat pe ADN ce codifică informații cu o eficiență a stocării semnificativ mai bună comparativ cu abordarea standard”, explică Amit. “Studiul include implementarea propriu-zisă a noilor tehnici de codificare pentru stocarea de informați de mare volum în molecule de ADN și reconstruirea lor pentru testarea procesului.”

Grupul de cercetare a elaborat mecanisme avansate de corecție a erorilor pentru a evita erorile ce constituie o parte integrantă a proceselor fizic-biologice. O parte din secvența ADN a moleculelor ce stochează informațiile, concepută de Anavy și Yakhini, este menită pentru corecția erorilor.

Potrivit lui Anavy, “mulțumită mecanismelor de corecție a erorilor adaptate tipului de codificare elaborat de noi, am fost capabili să efectuăm un proces de codificare foarte eficient și să recuperăm cu succes informațiile. Atunci când lucrăm cu un sistem ce constă în milioane de părți (molecule), chiar și evenimente cu un potențial de a se produce de unul la un milion au loc, ce pot perturba citirea. Codifiarea cu precauție ne-a permis să depășim aceste probleme.”

Potrivit cercetătorilor, “tehnologia prezentată în această publicație are potențialul să eficientizeze viitoarele procese în biologia sintetică și biotehnologie. Suntem de părere că în următorii ani vom asista la o creștere semnificativă a utilizării ADN-ului sintetic în cercetare și industrie.”