ADN: ¿el almacenamiento de datos del futuro?

El almacenamiento de datos es todo un reto de futuro. Cada vez se necesita almacenar mayor cantidad de datos, mayores densidades de almacenamiento y velocidades de acceso cada vez más rápidas. Por eso, muchos científicos están trabajando en desarrollar nuevos y revolucionarios métodos de almacenar datos, como el ADN. Sí, algo que parece disparatado, como también lo fue el uso de sangre como memristor, y otras tantas investigaciones bastante extrañas…

Si quieres saber cómo estas pequeñas cadenas pueden salvar el futuro del almacenamiento, sigue leyendo…

Índice de contenidos

Investigaciones preliminares sobre el ADN sintético

La tecnología de almacenamiento de datos en ADN ha experimentado avances significativos a lo largo de los años. En la década de 1950, Richard Feynman predijo esta idea, y en los años 60, el físico soviético Mikhail Samoilovich Neiman propuso el uso de moléculas de ADN y ARN sintéticas para el almacenamiento en nivel molecular.

En 1988, se realizó el primer experimento exitoso de almacenamiento de una imagen en ADN utilizando una bacteria E.coli. A lo largo de los años, se llevaron a cabo más investigaciones, como la codificación de un libro en ADN en 2011 y la inclusión de un código HTML y un libro completo con imágenes en 2012.

Se realizaron avances tanto en Europa como en Estados Unidos, mejorando la capacidad y estabilidad del almacenamiento en ADN. Sin embargo, los costos y la necesidad de mayor madurez tecnológica siguen siendo desafíos importantes.

A lo largo de los años, se lograron hitos como el almacenamiento de un vídeo en ADN y el desarrollo de métodos más eficientes de codificación y decodificación. También se exploró la posibilidad de almacenar bases de datos estructuradas en ADN sintético y se realizaron experimentos exitosos con archivos de gran tamaño.

A pesar de estos avances, la tecnología de almacenamiento en ADN aún enfrenta desafíos en cuanto a costos, escalabilidad y mejoras necesarias. Se esperaba que para 2023 la tecnología estuviera más madura y asequible, pero hasta ahora no se han logrado grandes avances en este sentido. Aún queda mucho por resolver y mejorar en esta área.

El uso del ADN como medio de almacenamiento podría resolver numerosos problemas actuales, ya que, si estas tecnologías se desarrollan, sería posible almacenar grandes cantidades de datos en un espacio muy reducido. Por ejemplo, se estima que en tan solo un gramo de ADN se podrían almacenar hasta 215 Petabytes. Esto significa que en una fracción muy pequeña de un gramo de ADN se podría almacenar una cantidad de información equivalente a 215 Terabytes, superando ampliamente la capacidad de los discos duros más avanzados disponibles en la actualidad. Además, un disco duro convencional de 1 TB puede pesar alrededor de 400 gramos y ocupa un volumen mucho mayor en comparación.

¿Qué es el ADN sintético?

El ADN sintético es un tipo de material genético que se genera en laboratorios mediante la síntesis química de nucleótidos individuales. Estos nucleótidos se combinan para formar cadenas de ADN sintético que pueden ser programadas para contener secuencias específicas de información genética.

Ha sido utilizado para crear organismos sintéticos, como bacterias, que poseen genomas completamente sintéticos. También se emplea en la investigación científica y la biotecnología para producir proteínas y enzimas específicas, así como para estudiar el efecto de ciertas mutaciones genéticas en los organismos. Además, se utiliza como medio de almacenamiento de datos en el ámbito informático.

La capacidad de crear ADN sintético tiene el potencial de revolucionar diversos campos de estudio, ya que los científicos pueden diseñar y construir genomas y sistemas biológicos personalizados para aplicaciones específicas, como la producción de medicamentos y la eliminación de contaminantes del medio ambiente. Sin embargo, el uso de la tecnología del ADN sintético plantea inquietudes éticas y de seguridad, y se están estableciendo regulaciones para asegurar su utilización segura y responsable.

Aplicaciones del ADN

Para finalizar, las aplicaciones prácticas del almacenamiento de datos en ADN son:

Cyborg: el uso de ADN sintético en el código genético de organismos vivos, incluyendo humanos, podría permitir la creación de cyborgs y aplicaciones médicas mediante la edición genética con CRISPR.
Criptodivisas en ADN: la capacidad de codificar información de criptodivisas en ADN abre nuevas posibilidades en el ámbito de los pagos y las transacciones seguras.
Bibliotecas en ADN: el almacenamiento de información en ADN permite la creación de bibliotecas duraderas y resistentes que podrían ser leídas incluso después de miles de millones de años.
DoT (DNA of Things): la codificación de información en ADN y su incorporación en objetos introduce el concepto del ADN de las cosas, ofreciendo nuevas perspectivas en el campo de la Internet de las Cosas.
Almacenamiento a largo plazo: el ADN ofrece una opción de almacenamiento duradera y segura para datos importantes, como archivos gubernamentales, documentales históricos, archivos de museos y copias de seguridad de Internet.
Sistemas de almacenamiento de alta densidad: El ADN permite un almacenamiento de alta densidad, lo que resulta beneficioso para centros de datos y futuras misiones espaciales tripuladas, donde el espacio es limitado pero se requiere almacenar grandes cantidades de información.

Codificación

Como probablemente sepas, la codificación de información implica transformar datos o información en un formato específico para su almacenamiento, transmisión o procesamiento. Este proceso implica asignar códigos o símbolos a los datos, de manera que puedan ser interpretados por un sistema de comunicación o una máquina.

Por ejemplo, en la comunicación digital, se utiliza la codificación de información para convertir los datos en una secuencia de bits (unos y ceros) que se pueden transmitir a través de un canal de comunicación. Es un proceso esencial en la tecnología de la información y la comunicación, y es fundamental para el procesamiento, almacenamiento y transmisión de grandes volúmenes de datos. Existen diferentes técnicas de codificación de información, y la elección de una técnica específica depende del tipo de datos que se vayan a codificar y del uso previsto de los datos codificados.

En el caso del ADN, existen diversas formas de codificar información, pero las más eficientes son aquellas que utilizan el ADN de manera eficiente y evitan errores en el proceso. Si se busca almacenar información en ADN durante largos períodos de tiempo, como mil años, es conveniente que la secuencia sea claramente artificial y que su lectura sea fácilmente identificable.

Una posible técnica de codificación propuesta para texto consiste en asignar una traducción única de cada letra a través de una cadena o secuencia de nucleótidos de ADN utilizando una tabla de búsqueda. Por ejemplo, se pueden utilizar códigos como Huffman.

También es posible codificar otros tipos de datos en ADN, como datos binarios (base 2) e incluso datos ternarios o en base 3. Es decir, bits y «trits» que también se pueden convertir en nucleótidos utilizando una tabla de búsqueda. Sin embargo, esto puede resultar más complejo, ya que es necesario resolver problemas como los homopolímeros, que son repeticiones de nucleótidos que pueden causar errores en la información almacenada. Se pueden emplear métodos de corrección de errores o nucleótidos de sincronización entre los nucleótidos que contienen la información codificada para evitar confusiones y separarlos o aislarlos.

Cómo funciona

A lo largo de la historia, se han utilizado diversos sistemas de almacenamiento de información, como tarjetas perforadas, cintas magnéticas, CDs, discos duros y unidades flash de estado sólido. Sin embargo, actualmente se está investigando en el uso del ADN como solución a muchos problemas existentes.

A diferencia de otros dispositivos de almacenamiento que utilizan magnetismo o señales eléctricas, el ADN utiliza moléculas o secuencias de ADN para almacenar la información. Al codificarla en base a los nucleótidos de ADN, se emplean las letras A, C, G y T.

La estructura de doble hélice del ADN está compuesta por tres pares múltiples y alternados de cuatro bases únicas:

Adenina (A)
Guanina (G)
Citosina (C)
Timina (T)

Los pares se agrupan en adenina-timina y guanina-citosina, es decir, A-T y G-C. En este tipo de sistemas, la información se almacenará en permutaciones de tres bases de nucleótidos llamadas codones.

Para poder almacenar datos en ADN, se requieren tres pasos fundamentales:

Codificación de los datos.
Síntesis y almacenamiento de los datos.
Decodificación de los datos.

Por ejemplo, los datos binarios pueden ser traducidos en códigos o codones de ADN mediante un algoritmo. Estos elementos pueden ser congelados, almacenados en gotas u otros medios, e incluso en chips.

Sin embargo, en la actualidad, este proceso es complejo y costoso, requiriendo un tiempo considerable tanto para la escritura como para la lectura de los datos, además de presentar desafíos para una codificación libre de errores. Por lo tanto, pasarán muchos años antes de que podamos ver soluciones basadas en ADN disponibles en el mercado.

Ventajas y desventajas

Indudablemente, el ADN presenta notables ventajas en términos de almacenamiento de información digital, como se puede apreciar, y las más sobresalientes son:

Densidad de almacenamiento: el ADN tiene una capacidad de almacenamiento extremadamente alta, lo cual sería extraordinario para centros de datos, ya que reduciría de manera significativa el espacio necesario.
Durabilidad: se estima que estos medios de almacenamiento pueden ser excepcionalmente duraderos, permitiendo conservar la información durante largos períodos, con una estimación mínima de al menos 500 años.
Replicabilidad: también podría solucionar el problema de la degradación o pérdida de datos que actualmente se resuelve mediante sistemas RAID o redundancia. Con el ADN, sería posible realizar copias de la información de manera rápida y sencilla.

En cuanto a las dos desventajas principales que no permiten su implantación para medios comerciales: