Cientistas "programam" bactérias vivas para armazenar dados

Discos rígidos e unidades ópticas armazenam gigabits de dados digitais com o pressionar de um botão. Mas essas tecnologias - como as fitas magnéticas e unidades de disquete antes delas - tendem a se tornar antiquadas e ilegíveis quando são ultrapassadas por novas tecnologias. Agora, os pesquisadores descobriram uma maneira de gravar eletronicamente dados no DNA de bactérias vivas, uma opção de armazenamento que dificilmente se tornará obsoleta tão cedo.

“Este é um passo muito bom” que pode um dia estimular o desenvolvimento comercial, diz Seth Shipman, um bioengenheiro dos Institutos Gladstone e da Universidade da Califórnia, em San Francisco, que não estava envolvido no novo trabalho. Ele observa, no entanto, que as aplicações do mundo real estão muito distantes.

O DNA é atraente para armazenamento de dados por vários motivos. Primeiro, ele é mais de 1000 vezes mais denso que os discos rígidos mais compactos, permitindo armazenar o equivalente a 10 filmes digitais completos com o volume de um grão de sal. E como o DNA é fundamental para a biologia, espera-se que as tecnologias para lê-lo e escrevê-lo se tornem mais baratas e poderosas com o tempo.

Armazenar dados no DNA não é uma ideia nova. Para fazer isso, os pesquisadores normalmente convertem a sequência de uns e zeros digitais de um arquivo de dados em combinações das quatro bases da molécula: adenina, guanina, citosina e timina. Eles então usam um sintetizador de DNA para escrever esse código no DNA. Mas a precisão da síntese de DNA diminui à medida que o código se alonga, então os pesquisadores normalmente dividem seu arquivo em pedaços e os escrevem em fragmentos de DNA entre 200 e 300 bases. Cada fragmento recebe um índice para identificar sua localização no arquivo, e os sequenciadores de DNA então leem os fragmentos para remontar o arquivo. Mas a tecnologia é cara, custando até US $ 3.500 para sintetizar 1 megabit de informação. E os frascos de DNA nos quais as informações são armazenadas podem se degradar com o tempo.

Para criar um meio duradouro e mais fácil de codificar, os pesquisadores agora estão trabalhando para gravar dados no DNA de organismos vivos, que copiam e passam seus genes para a próxima geração. Em 2017, uma equipe liderada por Harris Wang, biólogo de sistemas da Columbia University, usou o sistema de edição de genes CRISPR para reconhecer um sinal biológico, como a presença da frutose de açúcar. Quando os pesquisadores adicionaram frutose às células de Escherichia coli, a expressão do gene aumentou em pedaços de DNA em forma de anel chamados plasmídeos.

Em seguida, os componentes CRISPR - que evoluíram para defender as bactérias dos invasores virais - dividiram o plasmídeo superexpressivo em pedaços e alojaram parte dele em uma seção específica do DNA da bactéria que "lembra" os invasores virais anteriores. O bit genético inserido representou um bit digital. Se o sinal de frutose estava ausente, a bactéria armazenava um pedaço aleatório de DNA, representando um zero digital. O sequenciamento do DNA de E. coli revelou então se a bactéria foi exposta à frutose, por meio de um ou zero.

Mas como essa configuração podia armazenar apenas alguns bits de dados, Wang e seus colegas substituíram o sistema de reconhecimento de frutose por um que poderia codificar cadeias de informações mais longas: uma entrada eletrônica. Eles inseriram uma série de genes na E. coli que permitiu às células aumentar a expressão do plasmídeo em resposta a uma voltagem elétrica. Tal como acontece com a configuração da frutose, um aumento na expressão fez com que o digital fosse armazenado no DNA da bactéria. Para ler os uns e zeros, os pesquisadores simplesmente sequenciaram as bactérias.

Usando essa abordagem, Wang e seus colegas codificaram eletricamente até 72 bits de dados para escrever a mensagem “Olá, mundo!” eles relatam hoje na Nature Chemical Biology. Eles também mostraram que podiam adicionar E. coli com sua mensagem a uma mistura de micróbios normais do solo - e posteriormente sequenciar a mistura para recuperar sua mensagem armazenada.

Wang says it is still early days for the storage of data in living organisms. “We’re not going to compete with the current memory storage systems,” he says. The researchers will also need to come up with ways to prevent their messages from degrading as the bacteria mutate as they replicate. But at least for now, it may give James Bond a new tool for hiding messages in plain sight.