A próxima geração do armazenamento de dados pode existir no DNA, diz a Arizona State University (ASU)

A próxima geração do armazenamento de dados talvez nem fique dentro de um computador - ela pode existir dentro de moléculas de DNA.

Com o mundo produzindo mais informação digital do que nunca, cientistas correm para criar sistemas de armazenamento mais densos, mais duráveis e muito mais seguros.

Uma equipa da Arizona State University (ASU) mostrou como DNA projetado pode assumir, ao mesmo tempo, funções de armazenamento e de criptografia, com potencial para superar tecnologias convencionais baseadas em silício.

DNA desafia o armazenamento em silício

Nos computadores atuais, a informação é guardada e protegida com tecnologia de silício. O silício é rápido, mas os sistemas de armazenamento exigem edifícios enormes, energia constante e refrigeração. Além disso, manter dados preservados por muito tempo continua a ser um desafio.

O DNA apresenta um contraste impressionante. Uma quantidade mínima de DNA consegue reter volumes gigantescos de dados e permanecer estável por milhares - ou até milhões - de anos.

"Há décadas, a tecnologia da informação depende quase totalmente do silício", disse Hao Yan, professor Regents na School of Molecular Sciences da ASU.

"O que estamos a mostrar aqui é que moléculas biológicas, especificamente o DNA, podem ser projetadas para armazenar e proteger informação de formas fundamentalmente novas."

"Ao tratar o DNA como uma plataforma de informação e não apenas como material genético, podemos começar a repensar como os dados são armazenados, lidos e protegidos à escala nanométrica."

Codificação de dados com DNA

Em vez de usar o DNA como uma longa sequência de letras genéticas, os cientistas passam a usar o DNA como blocos de construção.

Fitas de DNA são dobradas em formas minúsculas, quase como origami de papel. Cada forma representa uma unidade de informação, de modo semelhante a como letras se combinam para formar palavras.

Nesse método, a informação não surge da leitura do código genético. O conteúdo está na própria forma. Formas diferentes correspondem a mensagens diferentes, tal como símbolos distintos num teclado.

Quando essas pequenas formas de DNA atravessam sensores extremamente reduzidos, cada uma gera um sinal elétrico característico. Programas de computador treinados com aprendizado de máquina reconhecem os sinais e associam-nos à forma correta.

Depois de a forma ser identificada, a mensagem armazenada volta a ser legível. Como não é necessário ler o material genético, o processo torna-se mais rápido e muito mais barato do que o sequenciamento tradicional de DNA.

Sistemas de criptografia baseados em DNA

Um segundo estudo leva o conceito além do armazenamento e entra na criptografia. Os investigadores criam padrões complexos de origami de DNA, nos quais a informação fica escondida em arranjos à escala nanométrica. Para interpretar esses padrões, são necessárias ferramentas especiais de imagem e regras específicas de decodificação.

A imagem de super-resolução DNA-PAINT em alta velocidade permite visualizar pontos individuais de ancoragem de DNA com precisão de nanómetros.

Em seguida, um software de aprendizado de máquina agrupa aglomerados de sinais e reconstrói mensagens criptografadas. Sem as regras de decodificação corretas, os padrões parecem não ter significado.

O roteamento, o deslizamento e o entrelaçamento das fitas de DNA geram um número enorme de caminhos possíveis de dobragem.

O tamanho da chave de criptografia ultrapassa 700 bits, muito acima de padrões comuns de criptografia digital. Com isso, a decodificação não autorizada torna-se quase impossível.

Imagem mais rápida reforça a segurança

As primeiras abordagens de criptografia com origami de DNA dependiam de métodos de imagem lentos, mas o DNA-PAINT em alta velocidade resolve essa limitação.

Agora, milhares de estruturas de DNA podem ser lidas em minutos, e não em horas, enquanto algoritmos de agrupamento não supervisionado analisam padrões sem dados de treino - aumentando tanto a velocidade quanto a precisão.

As equipas de pesquisa alcançaram uma precisão de leitura próxima de 90 por cento, inclusive para formas de DNA em três dimensões.

Estratégias de correção de erros elevam ainda mais a fiabilidade ao adicionar redundância ao desenho dos padrões, garantindo que a mensagem correta possa ser recuperada mesmo que alguns sinais desapareçam.

O origami de DNA tridimensional também acrescenta uma camada extra de proteção em relação a desenhos bidimensionais tradicionais. A informação pode ser ocultada em profundidade, ângulos e organização espacial, o que torna a decodificação mais difícil para ferramentas convencionais de imagem.

A microscopia de super-resolução captura esses padrões complexos com precisão, e os pesquisadores demonstraram criptografia e decodificação bem-sucedidas usando formas em estrutura de arame e montagens rígidas de DNA.

Estruturas mais rígidas aumentaram a precisão ao reduzir a flexibilidade das formas.

Unindo biologia e computação

Os pesquisadores mostraram que o DNA pode desempenhar duas funções essenciais em simultâneo: armazenar informação e proteger essa informação.

Algumas técnicas priorizam a leitura rápida de dados guardados, de forma semelhante a como computadores abrem ficheiros. Outras concentram-se em ocultar informação com estruturas de DNA complexas, muito difíceis de copiar ou adivinhar.

O armazenamento baseado em DNA pode ajudar a preservar grandes acervos de informação por muito tempo - como pesquisa científica, registos históricos e ficheiros médicos.

A criptografia com DNA também pode funcionar em condições severas, como alta radiação ou calor extremo, em que eletrónica comum frequentemente deixa de operar.

Essa linha de pesquisa aproxima áreas diferentes: a biologia fornece o DNA, a ciência dos materiais ajuda a moldá-lo, a eletrónica permite a leitura e o aprendizado de máquina viabiliza a decodificação.

O DNA deixa de ser visto apenas como parte de células vivas e passa a ser encarado como um meio durável e seguro para armazenar e proteger informação no futuro.