La humanidad genera información a un ritmo sin precedentes: unos 16 zettabytes cada año (un zettabyte equivale a 1.000 millones de terabytes), y subiendo. El año pasado, el grupo de investigación IDC estimó que para 2025 produciremos más de 160 zettabytes anuales.

Todos estos datos deben almacenarse, así que necesitamos una memoria mucho más densa que la que tenemos ahora. Una posible opción consiste en explotar la estructura molecular del ADN. Los investigadores saben desde hace tiempo que el ADN se puede utilizar para almacenar datos (ver El ADN se afianza como el método para almacenar datos del futuro). Al fin y al cabo, esta estructura es el almacén natural del molde necesario para hacer seres humanos individuales y lo transmite de una generación a otra.

A los científicos les impresiona la enorme densidad de datos que el ADN es capaz de almacenar: un solo gramo puede contener aproximadamente un zettabyte.

Pero aunque ya se sabe bastante sobre su capacidad para guardar información, todavía no había ningún sistema para organizar los datos en una biblioteca que permita recuperarlos cuando sea necesario. Hoy eso cambia gracias al trabajo del investigador de la Universidad de Padua (Italia)  Federico Tavella y sus compañeros. El equipo afirma haber diseñado y probado justo eso en nanorredes de bacterias.

El principio es simple. Las bacterias suelen portar información genética en forma de pequeños anillos circulares de ADN bicatenario llamados plásmidos. Estas moléculas son importantes porque a menudo confieren alguna ventaja a la célula huésped, como la resistencia a los antibióticos. Las bacterias pueden transferir plásmidos de una célula a otra en un proceso conocido como conjugación. Esto les permite compartir información genética entre bacterias, lo que da lugar a una red nanométrica fantásticamente compleja.

Este proceso es la base de la nueva técnica. El equipo intenta explotar esta nanorrred para transferir información insertada genéticamente en los plásmidos.

La idea es almacenar datos en plásmidos dentro de células bacterianas atrapadas en una ubicación específica. Para recuperar esta información, los investigadores envían bacterias móviles a este sitio, donde se conjugan con las bacterias atrapadas y capturan los plásmidos que portan dicha información. Finalmente, las bacterias móviles la llevan a un dispositivo que extrae los plásmidos y lee los datos que contienen.

Tavella y su equipo han realizado un experimento de prueba de concepto con dos cepas diferentes de E. coli (HB101 y Novablue) resistentes a diferentes antibióticos. HB101 es resistente a la estreptomicina, mientras que Novablue tiene plásmidos resistentes a la tetraciclina. Novablue puede transmitir esta resistencia a HB101 al traspasar dichos plásmidos durante la conjugación. Las distintas resistencias permiten que los investigadores controlen donde puede crecer cada cepa. Por ejemplo, Novablue puede sobrevivir cuando hay tetraciclina, pero HB101 no, a menos que se haya conjugado con Novablue y se haya vuelto resistente.

Su prototipo de memoria consiste en un área de almacenamiento de datos, un lector de datos y un canal de transferencia de datos que los conecta. Para almacenar datos, los investigadores codifican un mensaje simple en los plásmidos resistentes a la tetraciclina transportados por la bacteria Novablue. Y como marca la tradición, el mensaje es "Hello World" (hola mundo). También incluyen un tinte fluorescente en el plásmido para que puedan controlar su movimiento.

Para empezar, las bacterias Novablue se colocan en el área de almacenamiento de datos, de donde no pueden escapar. En la práctica, se trata de una superficie plana de agar duro poco apto para la motilidad bacteriana. Aunque de formas formas, el equipo lo rodea con estreptomicina, que mata a Novablue.

El canal de transferencia de datos va desde una fuente de bacterias HB101 a través del área de almacenamiento de datos y luego hacia el lector de datos. Se trata de agar blando, el cual favorece el movimiento bacteriano. Y dado que HB101 es resistente a la estreptomicina, puede moverse a través de este canal con relativa facilidad. No obstante, la región entre el área de almacenamiento de datos y el lector de datos está saturada tanto de tetraciclina como de estreptomicina, lo que evita que ambas bacterias viajen a través de él.

La clave del proceso sucede a continuación. La bacteria HB101 se traslada al área de almacenamiento de datos, se conjuga con la bacteria Novablue y recoge los plásmidos portadores de datos y también la resistencia a la tetraciclina. Eso significa que después de recoger los datos, pueden seguir viajando a través del canal hacia el lector de datos. Después, los investigadores extraen los plásmidos y recuperan la información: "Hello World". El equipo ha registrado el viaje de los datos a través de la red gracias al tinte fluorescente.

Hay que reconocer que el proceso es algo lento: la bacteria HB101 tarda unas 72 horas en viajar a través del canal de agar. Aún así, el experimento demuestra cómo funcionaría un almacén de datos de ADN.

Una cuestión a tener en cuenta en el mundo real es que un sistema de almacenamiento de ADN deberá contener muchas regiones distintas para guardar información. Y cada uno tendrá que ser direccionable. En otras palabras, debe haber una forma de que las bacterias de transferencia de datos encuentren cada ubicación.

Tavella y su equipo también tienen una respuesta para esto: un sistema de posicionamiento molecular análogo al Sistema de Posicionamiento Global. Se basa en balizas que liberan una sustancia química que atrae a la bacteria. De hecho, las bacterias pueden diseñarse para seguir estos rastros químicos.

Con tres rastros químicos diferentes, es posible triangular una posición en el espacio. Cuando las bacterias móviles siguen los tres caminos, terminan en el lugar donde las tres señales químicas se superponen. El equipo asegura que las simulaciones de este proceso funcionan bien, aunque aún no lo han probado en laboratorio.

El trabajo supone un paso interesante hacia la consecución de un sistema real para almacenar datos en ADN. La investigación detalla: "Nuestra solución permite que la información codificada digitalmente se almacene en bacterias inmóviles, que componen una arquitectura de archivado de grupos, y que luego se puede recuperar mediante bacterias móviles diseñadas, cada vez que se necesitan operaciones de lectura".

Y según el experimento, parece que funciona. El trabajo continúa: "Hemos llevado a cabo experimentos en laboratorio que muestran cómo las nanorredes de bacterias pueden recuperar de forma efectiva un mensaje simple, como 'Hello World', por conjugación con bacterias no móviles, y finalmente movilizarse hacia un punto final".

Por supuesto, hay muchos desafíos por delante. El sistema de posicionamiento molecular es interesante, pero tendrá que probarse en el mundo real para demostrar su versatilidad y utilidad. Y también será necesario aumentar la velocidad del proceso. Y dado que no se puede acelerar el viaje de las bacterias, podría conseguirse aumentando la cantidad de datos que almacena cada plásmido.

Parece que estamos en los primeros días para una técnica potencialmente apasionante.

Ref: arxiv.org/abs/1801.04774: DNA Molecular Storage System: Transferring Digitally Encoded Information through Bacterial Nanonetworks