Computação
Armazenamento de Dados Baseado em DNA Totalmente Funcional Possível com Conquista Recente
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No mundo hiper‑digital de hoje, todas as empresas dependem de dados. A quantidade de dados empresariais está crescendo rapidamente, especialmente com o advento de tecnologias avançadas como análise de dados, a Internet das Coisas (IoT) e IA, que geram e utilizam volumes massivos de dados.
Esses dados são potencialmente importantes, e é crucial, agora mais do que nunca, protegê‑los de maneira eficiente, confiável e segura. Para armazenar dados, você precisa de soluções de armazenamento que acessem, organizem, gerenciem, compartilhem e utilizem informações vitais de forma eficaz.
Embora seu computador tenha capacidade de armazenamento, ela é limitada e salva em um dispositivo, de modo que só pode ser usada enquanto o dispositivo está ligado e permanece até ser excluída. Para armazenar seus dados a longo prazo, você precisa de soluções de armazenamento de dados.
Os dispositivos de armazenamento são principalmente divididos em dois grupos:
- Armazenamento de área direta (DAS)
- Armazenamento baseado em rede
O DAS está conectado diretamente à máquina computacional que o acessa, e embora possa fornecer serviços decentes de backup local, o compartilhamento é bastante limitado. Dispositivos nesta categoria incluem disquetes, unidades flash e discos ópticos como CDs e DVDs.
Agora, o armazenamento baseado em rede é a opção mais adequada para compartilhamento e colaboração de dados, pois permite que vários computadores acessem os dados através de uma rede. As configurações de armazenamento baseado em rede são principalmente de dois tipos: armazenamento conectado à rede (NAS) e rede de área de armazenamento (SAN).
O NAS envolve um dispositivo conectado a uma rede. Aqui, o armazenamento e a recuperação de dados são feitos a partir de um local centralizado. Esta opção de armazenamento em rede acessível permite que vários usuários armazenem e compartilhem arquivos através de uma rede TCP/IP via Wi‑Fi ou cabo.
O SAN é uma rede especializada e de alta velocidade que conecta pools compartilhados de dispositivos de armazenamento a vários servidores. Ele envolve múltiplos dispositivos de vários tipos, que incluem:
Um disco de estado sólido (SSD) é um tipo de disco rígido que é mais rápido que os tradicionais que utilizam memória flash e unidades flash, que são opções baseadas em eletrônica onde os dados podem ser atualizados por operações de apagar ou gravar. O armazenamento híbrido, por sua vez, envolve uma combinação de diferentes tipos de armazenamento: flash storage, SSDs, and mechanical disk drives (HDDs).
O armazenamento em nuvem é outro método econômico e escalável porque os dados são armazenados virtualmente e, como tal, requerem acesso à Internet ou a uma rede privada. O armazenamento em nuvem híbrida utiliza diferentes nuvens — pública, privada e híbrida — para diferentes cargas de trabalho.
Desenvolvendo Nova Tecnologia para Armazenar Dados Digitais com Mais Eficiência
Apesar de todas essas opções, o mundo busca soluções mais eficientes diante de um universo digital projetado para adicionar cerca de 175 zettabytes de dados anualmente até 2025. Um grupo crescente de pesquisadores está agora defendendo o DNA como uma opção estável e sustentável para atender a essa demanda.
Já o DNA está sendo explorado para armazenamento de dados, embora ainda esteja em estágios iniciais, com um tamanho de mercado de apenas $70 million. No entanto, estima‑se que cresça a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de mais de 80% até 2032.
O armazenamento de dados em DNA é exatamente o que o nome indica: armazenar dados digitais em DNA (ou ácido desoxirribonucleico), a molécula que carrega informações genéticas para o desenvolvimento e funcionamento de um organismo.
Para criar DNA, quatro nucleotídeos diferentes — Adenina (A), Citosina (C), Guanina (G) e Timina (T) — se combinam para formar uma estrutura de dupla hélice, onde duas cadeias ligadas se enrolam uma ao redor da outra.
Ao armazenar dados em DNA, os dados binários são codificados em cadeias de DNA sintetizadas e depois decodificados a partir delas. O DNA é conhecido por ser estável, denso e ter a capacidade de durar muito tempo. Essas qualidades tornam o DNA um meio de armazenamento atraente.
“O DNA sintético tem o potencial de armazenar ordens de magnitude mais dados do que os dispositivos atuais, e de uma forma que promete ser muito mais sustentável.”
– Karin Strauss, Gerente Sênior de Pesquisa Principal na Microsoft (MSFT ) Research
Além de armazenar dados, o DNA também tem sido explorado para computação. Há muitas décadas, a computação em DNA tem sido objeto de pesquisa e desenvolvimento devido aos benefícios de escalabilidade, durabilidade e eficiência energética, entre outros.
Back in 2019, researchers from Microsoft and the University of Washington unveiled the first fully automated system for storing and retrieving data using synthesized DNA. This involved encoding ‘hello’ in the molecules of synthetic DNA created in the lab and then converting it back.
Avanços recentes em computação molecular sugerem que podemos até ser capazes de executar redes de computadores inteiras dentro de células vivas em um futuro próximo. Embora o armazenamento em DNA já exista há algum tempo, o novo estudo apresenta o primeiro computador molecular funcional capaz de armazenar e computar via DNA em vez de usar eletricidade.
No início deste ano, engenheiros da Universidade de Minnesota e do Rochester Institute of Technology (RIT) found a way to process data stored in DNA. This “microfluidic integrated circuit” is designed to operate via artificial neural network computations on data stored in DNA. According to paper co-author Amlan Ganguly:
“We are in the age of big data that needs to be stored somewhere.”
Ele também observou que construir mais data centers não é a solução, pois cada um requer construção, manutenção e operação, o que não é sustentável.
Este estudo propôs representar números através das concentrações de soluções contendo moléculas de DNA especificamente manipuladas. Essa manipulação representaria operações computacionais como adição, multiplicação e outras funções não lineares essenciais para a realização de cálculos de rede.
Alguns anos atrás, Mark Bathe, professor de engenharia biológica do MIT, e seus colegas também showcased a way to pick out the desired file from a mixture of many pieces of DNA. To do that, the researchers encapsulated each data file into a 6μm particle of silica, labeled with short DNA sequences that reveal the contents.
Fonte: MIT News
Discutindo o vasto potencial do DNA para atender à crescente demanda de armazenar enormes quantidades de dados, Bathe observou sua propriedade intrigante de não consumir energia uma vez que o polímero de DNA é criado. Você simplesmente grava o DNA e o armazena indefinidamente.
Pesquisadores até proposed using DNA’s stability and durability to encode digital data in order to secure and protect digital assets.
Mais pesquisadores e organizações estão investigating DNA’s potential for storing data and computation. The global data storage market currently stands at $217 bln and is forecasted to reach a whopping $777.98 bln by the end of this decade.
Avanço em Computação Baseada em DNA Revoluciona o Armazenamento de Dados
No estudo mais recente, published in Nature, researchers from Johns Hopkins University and North Carolina State University demonstrated a technology with data storage and computing functions using DNA instead of electronics.
Esta tecnologia pode armazenar, recuperar, computar, apagar ou reescrever dados repetidamente. Enquanto as tecnologias anteriores de armazenamento e computação em DNA conseguiam realizar algumas dessas tarefas, não podiam completá‑las todas.
“Nas tecnologias de computação convencionais, damos como certo que as formas como os dados são armazenados e processados são compatíveis entre si.”
– Albert Keung, líder do estudo e professor associado de engenharia química e biomolecular na NC State
Ele também acrescentou:
“Mas na realidade, o armazenamento de dados e o processamento de dados são feitos em partes separadas do computador, e os computadores modernos são uma rede de tecnologias complexas.”
Considerando que os dados baseados em DNA são armazenados na forma de ácidos nucleicos, a computação em DNA tem enfrentado dificuldades em como armazenar, recuperar e computar esses dados.
O que torna a computação eletrônica atraente é que todos os componentes de um dispositivo são compatíveis. Mas com o armazenamento de dados em DNA, isso não ocorre. Embora o armazenamento de dados baseado em DNA ofereça benefícios a longo prazo, acredita‑se que desenvolver uma tecnologia de DNA que cubra toda a gama de operações encontradas em dispositivos eletrônicos tradicionais seria difícil ou impossível de alcançar.
Agora, o estudo mais recente demonstra que essas tecnologias baseadas em DNA são realmente “viáveis porque criamos uma”.
Isso foi alcançado com a ajuda de técnicas recentes que permitiram a criação de materiais poliméricos macios com morfologias únicas. Segundo o co‑correspondente autor do artigo, Orlin Velev:
“Especificamente, criamos estruturas poliméricas que chamamos de dendricoloides — elas começam na escala microscópica, mas ramificam‑se umas das outras de forma hierárquica para criar uma rede de fibras nanoscópicas.”
Em 2019, pesquisas da North Carolina State University mostraram que diferentes polímeros precipitavam de soluções sob condições especiais, criando materiais de partículas dendríticas macias e únicas com adesão distinta (como as dos pés de lagarto, que permitem aderir a quase qualquer superfície) e propriedades de construção de estruturas.
Na época, Velev compartilhou o uso de nanofabricação ‘líquida’ para converter polímeros em partículas ramificadas após dissolver o polímero e misturar rapidamente a solução com outro líquido. Essa mistura rápida em fluxo turbulento, um processo inerentemente caótico, criou partículas ramificadas em estruturas hierárquicas.
A NC State também registrou uma patente sobre os materiais dendríticos macios, bem como o processo de sua criação.
Agora, para o estudo da solução de armazenamento em DNA, a estrutura que criaram tem uma alta área de superfície, permitindo que os pesquisadores depositem DNA entre as nanofibras. Isso foi alcançado sem sacrificar a densidade de dados, tornando o DNA atraente para armazenamento de dados.
“Você poderia colocar a quantidade de dados de mil laptops em armazenamento baseado em DNA do tamanho de uma borracha de lápis.”
– Keung
O primeiro autor do artigo, Kevin Lin, ex‑estudante de doutorado na NC State, afirmou que a capacidade de diferenciar entre a informação de DNA e as nanofibras onde está armazenada permite executar muitas das mesmas funções que se podem com dispositivos eletrônicos.
Segundo ele, a informação de DNA pode ser copiada diretamente da superfície do material sem danificar o próprio DNA. Além da capacidade de apagar trechos específicos de DNA e regravá‑los na mesma superfície, o estudo descobriu que depositar DNA no material dendricoloide realmente ajudou a preservar o DNA.
Velev observou que, com o estudo, eles estão “fornecendo o equivalente a microcircuitos”, e o material dendricoloidal fornece a placa de circuito.
Essa nova tecnologia de armazenamento e computação baseada em DNA, chamada de “motor primordial de armazenamento e computação em DNA”, também é capaz de resolver sudoku simples e problemas de xadrez 3 × 3. Testes sugerem que a tecnologia poderia armazenar dados com segurança por milhares de anos. Além disso, “o próprio material hospedeiro dendrocoloidal é relativamente barato e fácil de fabricar”, segundo Velev.
Empresas Envolvidas em Armazenamento e Computação de Dados em DNA
Dada a importância dos dados e a necessidade de soluções mais eficientes, várias empresas estão investigando o armazenamento de dados em DNA, computação e tecnologias moleculares. Por exemplo, a Thermo Fisher Scientific (TMO ) (TMO) oferece soluções abrangentes para sequenciamento de DNA e biologia molecular, enquanto a Agilent Technologies (A ) (A) foca em tecnologias baseadas em DNA, e a Pacific Biosciences of California (PACB ) (PACB) especializa‑se em tecnologia de sequenciamento de leitura longa. Há também a Helixworks Technologies, que criou material de armazenamento de dados em DNA programável para codificar arquivos de dados ou pequenas aplicações diretamente na estrutura molecular de um objeto.
Agora, vamos analisar mais detalhadamente dois nomes proeminentes neste campo. Ambas as empresas, juntamente com a Microsoft, Western Digital (WDC ) e várias outras instituições membros, formaram a DNA Data Storage Alliance (DTST ) . A aliança tem como objetivo enfrentar o crescimento dos dados digitais oferecendo uma solução de armazenamento de dados arquivísticos de baixo custo e sustentável usando DNA e explorando sua comercialização precoce.
#1. Twist Bioscience Corporation
Esta empresa se especializa em DNA sintético e foca intensamente em tecnologias de armazenamento de dados em DNA. Com uma capitalização de mercado de $2.57 billion, as ações da Twist Bioscience (TWST ) estão atualmente negociando a $43.98, alta de 19.32% YTD. Seu EPS (TTM) é -3.81, e seu P/E (TTM) é -11.53.
TWST Gráfico de preços
Para o Q2 de 2024, a empresa reported revenue of $75.3 million, which is an increase of 25% from the same quarter last year. Gross margin also increased to 41% compared to 31%. Meanwhile, about 193,000 genes were shipped during the period. $293.3 million was reported in cash, cash equivalents, and short-term investments.
“Continuamos firmes e focados em nosso caminho para a lucratividade.”
– CEO e cofundadora Emily M. Leproust, Ph.D.
#2. Illumina
Esta empresa é líder em sequenciamento e soluções baseadas em arrays, essenciais para o processamento e armazenamento de dados em DNA. With a market cap of $20.77 billion, Illumina’s shares are currently trading at $130.42, down 6.33% YTD. Its EPS (TTM) is -19.18, and its P/E (TTM) is -6.80.
ILMN Gráfico de preços
For Q2 of 2024, the company reported revenue of $1.09 billion, down 6% from 2Q23. Its GAAP operating margin was 40.5%, and its non-GAAP operating margin was 22.2%. At the end of the quarter, $994 million was held in cash, cash equivalents, and short-term investments.
“A equipe da Illumina entregou resultados acima de nossas expectativas no trimestre, impulsionada pela execução disciplinada de nossas prioridades estratégicas.”
– CEO Jacob Thaysen
Conclusão
A crescente digitalização do mundo significa que os dados digitais estão preparados para um crescimento exponencial. Essa explosão de dados deve superar em muito a capacidade das tecnologias de armazenamento existentes, impulsionando a necessidade de explorar e adotar novas soluções como o armazenamento em DNA.
Como demonstrou o novo estudo, os avanços contínuos estão tornando possível alcançar um conjunto completo de funções de armazenamento e computação de dados. Essas operações incluem armazenar dados, mover dados e a capacidade de ler, reescrever, apagar, recarregar ou computar arquivos de dados específicos — tudo de maneira programável e repetível sem degradar o DNA.
O DNA, uma molécula notável encontrada em todas as células vivas, oferece densidade extremamente alta, tornando‑a a solução de armazenamento de longo prazo perfeita (não apenas para centenas, mas milhares de anos). Isso indica seu vasto potencial em transformar o mundo do armazenamento e da computação.
