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¿Qué es la memoria basada en ADN y por qué es millones de veces más eficiente que un disco duro?

حافظه مبتنی بر DNA چیست و چرا میلیون‌ها برابر بهینه‌تر از هارد درایو به حساب می‌آید؟

Cuando se lanzó la nave espacial Voyager de la NASA en 1977 para estudiar las limitaciones de nuestro sistema solar, llevaban dos archivos que contenían imágenes y sonidos que representaban la vida terrestre. Pero en el futuro, la mejor consola espacial de próxima generación se puede encontrar en nuestros cuerpos humanos.

Esto se debe a que el mundo es millones de veces más eficiente en el almacenamiento de datos que el disco duro magnético de su computadora portátil o computadora. Debido a que los datos mucho más densos que el silicio pueden almacenar en el mundo, básicamente puede ajustar todos los datos del mundo en solo unos pocos gramos del mundo.

“Debido a que el universo ha sido elegido por toda la vida como el medio principal de almacenamiento de información, esencialmente estamos tratando con un sistema muy poderoso”, dijo Ilya Finkelstein, profesor asistente de biología molecular en la Universidad de Texas. “Mucho después de que nuestra memoria magnética se vuelva obsoleta, naturalmente seguirá siendo utilizada por el mundo”.

Finkelstein es miembro del equipo de la Universidad de Texas en Austin que quiere aprovechar al máximo los métodos de almacenamiento basados ​​en datos. Aunque este campo ha sido la encrucijada entre la biología molecular y la informática desde al menos la década de 1980, los investigadores hasta el día de hoy apenas han podido corregir los errores que hacen que el mundo siga funcionando.

En un artículo reciente en Proceedings of the National Academy of Science, Finkelstein y otros miembros del equipo detallaron su nuevo método de corrección de errores. Han podido traducir la novela completa El mago de Oz al idioma esperanto Y almacenado con mayor precisión que los métodos anteriores basados ​​en el mundo. De esta manera, estamos en el camino hacia futuros métodos de almacenamiento de datos.

Una breve historia del almacenamiento basado en datos

Los investigadores de la Universidad de Texas ciertamente no son los primeros científicos en codificar una obra de arte dentro de las disciplinas religiosas.

La historia del almacenamiento basado en ADN en realidad se remonta a 1988 y se puso a prueba en la Universidad de Harvard. Los investigadores de la universidad pudieron colocar una imagen de una de las obras de arte de Joe Davis en una disciplina religiosa. Escherichia coli Tienda. Al decodificar, esto creó una imagen de matriz de 5 por 7.

En 2011, los investigadores del Instituto Europeo de Bioinformática en el Reino Unido estaban adoptando un enfoque similar. Nick Goldman, un técnico en bioinformática, estaba hablando con sus colegas sobre cómo apilar las cadenas del genoma que el mundo ha producido en grandes cantidades una tras otra. Esta fue una discusión que comenzó como una broma.

“Lo que nos hizo pensar que no estábamos usando el mundo para almacenar información”, dijo a Nature. Dos años más tarde, el grupo pudo codificar con éxito cinco archivos diferentes en disciplinas religiosas, incluida la famosa conferencia “Tengo un sueño” de Martin Luther King Jr. y los sonetos de Shakespeare.

En noviembre de 2016, una subsidiaria de Massachusetts del Catálogo del Instituto de Tecnología, Catalog, pudo almacenar 144 palabras de la famosa ciudad “No caminado” de Robert Frost en disciplinas religiosas. Este archivo tenía un tamaño aproximado de un kilobyte.

En el mismo año, un equipo de investigadores de Microsoft y la Universidad de Washington pudieron encajar 200 megabytes de datos en una larga cadena de mundos, parte de los cuales era la famosa novela Guerra y paz. En marzo de 2019, el mismo equipo pudo incluso desarrollar el primer sistema automático de almacenamiento y recuperación de datos a partir de material genético.

Hoy en día, muchas grandes empresas de tecnología han entrado en este campo, incluidas IBM y Google. Incluso el Servicio Secreto de Estados Unidos para Proyectos de Investigación de Inteligencia Avanzada, que es la contraparte del gobierno de DARPA pero para espías, ha invertido en el área. Los investigadores de todas estas empresas y organizaciones han imaginado un futuro en el que podríamos almacenar nuestros datos más valiosos en viales digitales y sacarlos de laboratorios oscuros y frescos cuando sea necesario.

¿Cómo funciona la memoria basada en el mundo?

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El disco duro magnético es uno de los métodos más populares para almacenar datos en las computadoras de hoy. Dentro de estas memorias, encontrará un par de tocadiscos llamados “discos” o “platos” que parecen CD. Estos discos almacenan datos en forma de 0 y 1 (o por código) en sus superficies. Una vez incrustado en un eje, el disco gira y un flujo electrónico escribe o lee datos en la superficie. Los componentes electrónicos también alimentan todas las operaciones.

De manera similar, la memoria basada en el mundo requiere medidas de codificación y decodificación. En este caso particular, los investigadores produjeron químicamente ADN sintéticos con propiedades específicas basadas en cuatro nucleótidos: adenina (A), quitosano (C), guanina (G) y timina (T). Son los nucleótidos los que forman la estructura en espiral y la escalera del material genético.

Debido a que el universo tiene cuatro bloques de construcción, el método de la memoria genética es mucho más denso, en lugar de utilizar 0 y 1 binarios en discos duros magnéticos. Esto es lo que dice John Hawkins, uno de los autores del artículo reciente. “Una cucharada del mundo contiene mucha información que normalmente se necesitarían centros de datos tan grandes como 10 supermercados Walmart para almacenar con las tecnologías actuales”. “O como algunas personas prefieren decir, puedes poner todo Internet en una caja de zapatos”.

No solo esto, con el futuro garantizado del mundo. Hawkins recuerda una época en la que los CD eran el principal método de almacenamiento durante la década de 1990 y se nos prometió que los datos permanecerían en los CD para siempre, porque los plásticos tienen una vida muy larga. Por otro lado, los datos almacenados en un planeta pueden durar cientos de miles de años. De hecho, tenemos una rama completa de la ciencia llamada arqueología genética, que busca comprender el pasado antiguo examinando la longevidad del universo.

Más allá de eso, el mundo del almacenamiento posterior a los datos no requiere ningún mantenimiento. Después de todo, los fósiles después de millones de años bajo la tierra todavía mantienen los hilos del universo. La memoria externa no requiere energía y solo debe almacenarse en un lugar fresco y oscuro hasta que un día uno decida utilizar los datos que contiene. Pero Hawkins dice que la mayor ventaja es que leer datos del mundo y escribirlos nunca se volverá obsoleto.

“Si quiero leer un artículo que escribí cuando era niño, primero debo ir a un museo y encontrar una computadora saludable que pertenezca a esa época. Y estoy en la cuarta década de mi vida. Pero el mundo tiene un futuro garantizado de forma única, porque estamos hechos de él. Mientras los humanos estén hechos del universo, siempre tendremos máquinas a mano que pueden leer información.

Errores de cruce

Pero como todos los métodos de almacenamiento de datos, el mundo tiene sus defectos y problemas. El desafío más obvio al utilizar este método es el costo. Hawkins dice que los métodos actuales tienen un costo similar al del Apple Hard Disk 20 de la década de 1980. En ese momento, alrededor de 20 megabytes de almacenamiento, equivalente a la cantidad de datos que necesita para descargar un video de 15 minutos, costaría alrededor de $ 1,500.

Después de todo, el mundo está condenado al error. Hablemos de nuevo sobre los nucleótidos que componen la escalera digital. En promedio, por cada 100 a 1,000 nucleótidos, ocurre un error dentro del universo, y estos errores pueden ocurrir de tres maneras: reemplazo, colocación y eliminación.

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En una mutación alternativa, una sola letra dentro de una matriz de nucleótidos puede reemplazarse por otra letra. Por ejemplo, el quitosano puede reemplazar a la timina, aunque la longitud de las cadenas de ADN sigue siendo la misma. Sin embargo, al colocarlo y eliminarlo, el ADN adquiere una base de nucleótidos adicional o elimina una base. Pero a diferencia de los errores en el código de computadora, no verá ningún espacio libre donde ya existía la base eliminada. Entonces, al decodificar datos almacenados en la web, este problema se convierte rápidamente en un gran problema.

Hawkins compara esto con las palabras en inglés: “Al eliminar una letra L, la frase World se convierte en Word. Ahora bien, si se inserta una S en esta expresión, se obtiene la palabra Espada. Es difícil leer la versión correcta de Sword, que se suponía que era World, porque Sword sigue siendo una palabra real en inglés. “Pero las letras han cambiado”.

En otras formas de memoria externa, estos errores se pueden evitar repitiendo el código 10 o 15 veces, pero esto también significa desperdiciar espacio de almacenamiento. En un nuevo método que los investigadores han discutido en su artículo reciente, han enrejado datos en una red y cada bit de datos amplifica los siguientes datos, por lo que solo es necesario leerlos una vez.

También han desarrollado un algoritmo que maneja los errores de colocación, eliminación y reemplazo simultáneamente y optimiza la memoria digital basada en los dientes. Es por eso que el equipo en cuestión supo colocar fácilmente al Mago de la Ciudad en las disciplinas mundiales, y de esta manera no necesitó repetir las combinaciones A, C, T y G en sucesión.

Una imagen del futuro

Prueba de ADN

A medida que avanzamos hacia el futuro, el potencial de los recuerdos basados ​​en el mundo será prácticamente ilimitado. Finkelstein pinta una imagen de un futuro en el que podemos usar mundos que contienen datos dentro de otros materiales.

En un ejemplo, dice, los investigadores colocaron una pieza de plástico impreso en 3D en una cadena que contenía archivos de diseño del mismo plástico impreso. A medida que una pieza de plástico pasa por la impresora, puede liberar espacio para reproducir el archivo en un proceso continuo.

O puede utilizar la memoria de datos basada en ADN como una forma de obtener información sobre objetos fijos que no tienen su propio material genético. Suponga que cubre un avión con material que contiene aire y completa las instrucciones de construcción del avión. Si algo sale mal y el avión se estrella contra el mar, los rayos ultravioleta del sol desintegran la luz incrustada en la capa superior.

Este proceso de descomposición puede ser una forma de recopilar información sobre lo que le sucedió a la aeronave. Incluso si solo se descubriera una pieza de los restos del avión, los científicos podrían haber almacenado un dinosaurio y analizar la cantidad de descomposición para averiguar cuánto tiempo se había perdido el avión en el mar.

Pero incluso con los grandes logros de Finkelstein y su equipo, la memoria digital basada en digital todavía tiene un largo camino por recorrer. “Creo que pronto podremos utilizar esa memoria en casos muy especiales”, dice. “Pero no creo que lo veamos en el mercado como un producto público hasta dentro de una década o más”.

Pero siempre que sea posible, la memoria mundial sería el paso más grande que jamás haya dado el almacenamiento de datos humanos.

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