DNA Chips: La soluzione di storage di miliardi di gigabyte di domani.

I ricercatori si sono concentrati sul potenziale del DNA come mezzo di memorizzazione dei dati grazie alla sua capacità di immagazzinare grandi quantità di informazioni in uno spazio minuscolo.

Sotto forma di DNA, la natura mostra come i dati possano essere archiviati in modo salvaspazio e a lungo termine. La cattedra di bioinformatica di Würzburg sta sviluppando chip di DNA per la tecnologia informatica.

La molecola ereditaria del DNA è rinomata per la sua capacità di immagazzinare grandi quantità di informazioni per lunghi periodi di tempo in uno spazio incredibilmente piccolo. Da dieci anni gli scienziati perseguono quindi l'obiettivo di sviluppare chip di DNA per la tecnologia informatica, in particolare per l'archiviazione a lungo termine dei dati. Tali chip sarebbero superiori ai tradizionali chip a base di silicio in termini di densità di archiviazione, longevità e sostenibilità.

In un filamento di DNA si trovano quattro elementi costitutivi di base ricorrenti. Una sequenza specifica di questi blocchi può essere utilizzata per codificare le informazioni, proprio come fa la natura. Per costruire un chip di DNA, il DNA corrispondentemente codificato deve essere sintetizzato e stabilizzato. Se funziona bene, le informazioni vengono conservate per molto tempo – i ricercatori presumono diverse migliaia di anni. Le informazioni possono essere recuperate leggendo e decodificando automaticamente la sequenza dei quattro elementi costitutivi di base.

Le informazioni possono essere archiviate sotto forma di DNA su chip realizzati in nanocellulosa semiconduttrice. Le proteine controllate dalla luce leggono le informazioni. Credito: Cattedra di Bioinformatica / Università di Würzburg

"Il fatto che l'archiviazione digitale dei dati del DNA con elevata capacità e una lunga durata sia fattibile è stato dimostrato più volte negli ultimi anni", afferma il professor Thomas Dandekar, capo della cattedra di bioinformatica presso la Julius-Maximilians-Universität (JMU) di Würzburg. “Ma i costi di archiviazione sono elevati, vicini ai 400.000 dollari per megabyte, e le informazioni archiviate nel DNA possono essere recuperate solo lentamente. Ci vogliono ore o giorni, a seconda della quantità di dati."

Queste sfide devono essere superate per rendere l’archiviazione dei dati sul DNA più applicabile e commerciabile. Strumenti adatti a questo scopo sono gli enzimi controllati dalla luce e il software di progettazione di reti proteiche. Thomas Dandekar e i membri del suo team Aman Akash ed Elena Bencurova ne discutono in una recente recensione sulla rivista Trends in Biotechnology.

Il team di Dandekar è convinto che il DNA abbia un futuro come archivio di dati. Nella rivista, i ricercatori della JMU mostrano come una combinazione di biologia molecolare, nanotecnologia, nuovi polimeri, elettronica e automazione, abbinata a uno sviluppo sistematico, potrebbe rendere possibile in pochi anni l’archiviazione dei dati del DNA utile per l’uso quotidiano.

Al Biocentro JMU, il team di Dandekar sta sviluppando chip di DNA costituiti da nanocellulosa semiconduttrice prodotta battericamente. "Con la nostra prova di concetto, possiamo dimostrare come l'attuale tecnologia elettronica e informatica possa essere parzialmente sostituita da componenti biologici molecolari", afferma il professore. In questo modo si potrebbero ottenere sostenibilità, piena riciclabilità ed elevata robustezza anche contro impulsi elettromagnetici o interruzioni di corrente, ma anche un’elevata densità di stoccaggio fino a un miliardo di gigabyte per grammo di DNA.

Thomas Dandekar ritiene molto importante lo sviluppo dei chip di DNA: “Dureremo a lungo termine come civiltà solo se faremo il salto in questo nuovo tipo di tecnologia informatica sostenibile che combina la biologia molecolare con l’elettronica e la nuova tecnologia dei polimeri”.

Ciò che è importante per l’umanità, ha affermato, è passare a un’economia circolare in armonia con i confini del pianeta e con l’ambiente. “Dobbiamo raggiungere questo obiettivo in 20 o 30 anni. La tecnologia dei chip ne è un esempio importante, ma le tecnologie sostenibili per produrre chip senza rifiuti elettronici e senza inquinamento ambientale non sono ancora mature. Il nostro concetto di chip in nanocellulosa fornisce un prezioso contributo a questo scopo. Nel nuovo documento, abbiamo esaminato criticamente il nostro concetto e lo abbiamo ulteriormente avanzato con le attuali innovazioni della ricerca”.

Il team di Dandekar sta attualmente lavorando per combinare ancora meglio i chip di DNA costituiti da nanocellulosa semiconduttrice con gli enzimi di progettazione che hanno sviluppato. Anche gli enzimi devono essere ulteriormente migliorati.

"In questo modo vogliamo ottenere un controllo sempre migliore del supporto di memorizzazione del DNA ed essere in grado di memorizzarne ancora di più, ma anche risparmiare sui costi e quindi consentire passo dopo passo l'uso pratico come supporto di memorizzazione nella vita di tutti i giorni."