Computação
Armazenamento de Dados Baseado em DNA Totalmente Funcional Possível com Realização Recente
No mundo hiperdigital de hoje, todos os negócios dependem de dados. A quantidade de dados de negócios está crescendo rapidamente, especialmente com o advento de tecnologias avançadas como análise de dados, Internet das Coisas (IoT) e IA, que geram e utilizam volumes maciços de dados.
Esses dados são potencialmente importantes, e é fundamental, agora mais do que nunca, armazená-los de forma eficiente, confiável e segura. Para armazenar dados, você precisa de soluções de armazenamento para acessar, organizar, gerenciar, compartilhar e usar informações vitais de forma eficaz.
Embora seu computador tenha capacidade de armazenamento, ela é limitada e salva em um dispositivo, então só pode ser usada enquanto o dispositivo estiver ligado e permanecer 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
DAS está diretamente conectado à máquina de computação que o acessa, e embora possa fornecer serviços de backup locais decentes, o compartilhamento é bastante limitado. Dispositivos desta categoria incluem disquetes, drives de flash e discos ópticos, como CDs e DVDs.
Agora, o armazenamento baseado em rede é a opção melhor usada para compartilhamento e colaboração de dados, pois permite que vários computadores acessem dados por meio de uma rede. Configurações de armazenamento baseado em rede são principalmente de dois tipos: armazenamento anexado à rede (NAS) e rede de área de armazenamento (SAN).
NAS envolve um dispositivo conectado a uma rede. Aqui, o armazenamento e recuperação de dados são feitos a partir de um local centralizado. Essa opção de armazenamento em rede acessível permite que vários usuários armazenem e compartilhem arquivos em uma rede TCP/IP por meio de Wi-Fi ou cabo.
SAN é uma rede especializada de alta velocidade que conecta pools compartilhados de dispositivos de armazenamento a vários servidores. Envolve vários dispositivos de diferentes tipos, que incluem:
Um disco de estado sólido (SSD) é um tipo de disco rígido que é mais rápido do que os tradicionais que usam memória flash e drives de flash, que são opções eletrônicas onde os dados podem ser atualizados por operações de exclusão ou gravação. Armazenamento híbrido, por sua vez, envolve uma combinação de diferentes tipos de armazenamento: armazenamento de flash, SSDs e discos rígidos mecânicos (HDDs).
Armazenamento em nuvem é outro método escalável e econômico, pois os dados são armazenados virtualmente e, como tal, requerem acesso à Internet ou a uma rede privada. Armazenamento em nuvem híbrida usa diferentes nuvens, públicas, privadas e híbridas, para diferentes cargas de trabalho.
Desenvolvendo Nova Tecnologia para Armazenar Dados Digitais de Forma Mais Eficiente
Apesar de todas essas opções, o mundo está procurando por 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 agora defende 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 milhões. No entanto, estima-se que ele cresça a uma taxa de mais de 80% até 2032.
Armazenamento de dados em DNA é exatamente o que diz: 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 hélice dupla, onde duas cadeias ligadas se enrolam uma em torno da outra.
Quando se armazena dados em DNA, os dados binários são codificados em cadeias de DNA sintetizadas e, em seguida, decodificados 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 quantidades de dados muito maiores do que os dispositivos de hoje, e de uma maneira que promete ser muito mais sustentável.”
– Karin Strauss, Gerente de Pesquisa Principal Sênior da Microsoft Research
Além de armazenar dados, o DNA também foi explorado para computação. Por muitas décadas, a computação em DNA tem sido objeto de pesquisa e desenvolvimento devido aos benefícios de escalabilidade, durabilidade e eficiência energética, entre outros.
Em 2019, pesquisadores da Microsoft e da Universidade de Washington apresentaram o primeiro sistema totalmente automatizado para armazenar e recuperar dados usando DNA sintetizado. Isso envolveu codificar ‘olá’ nas moléculas de DNA sintético criado no laboratório e, em seguida, convertê-lo de volta.
Avanços recentes em computação molecular sugerem que podemos até mesmo executar redes de computadores inteiras dentro de células vivas em um futuro próximo. Embora o armazenamento de DNA tenha sido usado há algum tempo, o novo estudo demonstra o primeiro computador molecular funcional capaz de armazenamento e computação via DNA, em vez de usar eletricidade.
No início deste ano, engenheiros da Universidade de Minnesota e do Instituto de Tecnologia de Rochester (RIT) encontraram uma maneira de processar dados armazenados em DNA. Esse “circuito integrado microfluídico” é projetado para operar por meio de computações de redes neurais artificiais em dados armazenados em DNA. De acordo com o coautor do artigo, Amlan Ganguly:
“Estamos na era dos grandes dados que precisam ser armazenados em algum lugar.”
Ele também observou que construir mais centros de dados não é a resposta, pois cada um deles requer construção, manutenção e operação, o que não é sustentável.
Esse estudo propôs representar números por meio das concentrações de soluções contendo moléculas de DNA manipuladas especificamente. Essa manipulação representaria operações de computação, como adição, multiplicação e outras funções não lineares essenciais para realizar computações de rede.
Há alguns anos, Mark Bathe, professor de engenharia biológica do MIT, e seus colegas, também apresentaram uma maneira de selecionar o arquivo desejado de uma mistura de muitas peças de DNA. Para fazer isso, os pesquisadores encapsularam cada arquivo de dados em uma partícula de sílica de 6μm, rotulada com sequências de DNA curtas que revelam o conteúdo.
Fonte: MIT News
Discutindo o vasto potencial do DNA para atender às demandas crescentes de armazenamento de grandes 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 propuseram usar a estabilidade e durabilidade do DNA para codificar dados digitais a fim de proteger e garantir ativos digitais.
Mais pesquisadores e organizações estão investigando o potencial do DNA para armazenamento de dados e computação. O mercado global de armazenamento de dados atualmente está em $217 bilhões e é previsto que atinja um valor impressionante de $777,98 bilhões até o final desta década.
Quebra de Armazenamento de Dados Baseado em DNA Revoluciona o Armazenamento de Dados
No estudo mais recente, publicado na Nature, pesquisadores da Universidade Johns Hopkins e da Universidade Estadual da Carolina do Norte demonstraram uma tecnologia com funções de armazenamento e computação de dados usando DNA em vez de eletrônica.
Essa tecnologia pode armazenar, recuperar, computar, apagar ou reescrever dados repetidamente. Embora as tecnologias de armazenamento e computação em DNA anteriores tenham conseguido realizar algumas dessas tarefas, elas não puderam completar todas elas.
“Em tecnologias de computação convencionais, damos como certo que as maneiras como os dados são armazenados e a maneira como os dados são processados são compatíveis entre si.”
– Albert Keung, o 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.”
Dado que os dados baseados em DNA são armazenados na forma de ácidos nucleicos, a computação em DNA tem lutado com como armazenar, recuperar e computar.
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, não é o caso. Embora o armazenamento de dados em DNA ofereça benefícios a longo prazo, acredita-se que desenvolver uma tecnologia de DNA que possa cobrir a gama completa 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 “viáveis porque criamos uma”.
Isso foi alcançado com a ajuda de técnicas recentes que permitiram a criação de materiais poliméricos macios com morfologias únicas. De acordo com o coautor do artigo, Orlin Velev:
“Especificamente, criamos estruturas de polímero que chamamos de dendricoloides — elas começam na escala micro e se ramificam umas das outras de forma hierárquica para criar uma rede de fibras nanométricas.”
Em 2019, uma pesquisa da Universidade Estadual da Carolina do Norte mostrou que diferentes polímeros precipitados de soluções sob condições especiais podem criar materiais de partículas dendríticas macias únicas com propriedades adesivas distintas (como as de pés de lagarto, que permitem que eles grudem em quase qualquer superfície) e estruturais.
Na época, Velev compartilhou o uso de “nanomanufatura líquida” para converter polímeros em partículas ramificadas após dissolver o polímero e misturá-lo rapidamente com outro líquido. Essa mistura rápida em fluxo turbulento, um processo inerentemente caótico, criou partículas ramificadas em estruturas hierárquicas.
A NC State também depositou um pedido de patente sobre os materiais dendríticos macios, bem como o processo para criá-los.
Agora, para a solução de armazenamento de DNA, a estrutura que criaram tem uma grande área de superfície, permitindo que os pesquisadores depositem DNA entre os nanofibrils. Isso foi alcançado sem sacrificar a densidade de dados, tornando o DNA atraente para armazenamento de dados.
“Você poderia colocar mil laptops de dados em armazenamento baseado em DNA que tem o mesmo tamanho que uma borracha de lápis.”
– Keung
O primeiro autor do artigo, Kevin Lin, um ex-aluno de doutorado da NC State, afirmou que a capacidade de diferenciar entre informações de DNA e os nanofibrils em que elas são armazenadas permite realizar muitas das mesmas funções que se pode com dispositivos eletrônicos.
De acordo com ele, as informações de DNA podem ser copiadas diretamente da superfície do material sem danificar o DNA. Além da capacidade de apagar peças específicas de DNA e, em seguida, reescrevê-las na mesma superfície, o estudo encontrou que depositar DNA no material dendricoloide na verdade ajudou a preservar o DNA.
Velev observou que, com o estudo, eles estão “fornecendo o equivalente a microcircuits”, e o material dendricoloide fornece a placa de circuito.
Essa nova tecnologia de armazenamento e computação baseada em DNA, chamada de “motor de armazenamento e computação de DNA primordial”, também é capaz de resolver problemas de sudoku simples e xadrez 3 × 3. Testes sugerem que a tecnologia pode armazenar dados de forma segura por milhares de anos. Além disso, “o material hospedeiro dendricoloide em si é relativamente barato e fácil de fabricar”, de acordo com Velev.
Empresas Envoltas em Armazenamento de Dados em DNA e Computação
Dada a importância dos dados e a necessidade de soluções mais eficientes, várias empresas estão explorando o armazenamento de dados em DNA, computação e tecnologias moleculares. Por exemplo, a Thermo Fisher Scientific (TMO) fornece soluções abrangentes para sequenciamento de DNA e biologia molecular, enquanto a Agilent Technologies (A) se concentra em tecnologias baseadas em DNA e a Pacific Biosciences of California (PACB) se especializa em tecnologia de sequenciamento de longa leitura. Em seguida, há a Helixworks Technologies, que criou material de armazenamento de dados em DNA programável para codificar arquivos de dados ou pequenos aplicativos diretamente na estrutura molecular de um objeto.
Agora, vamos dar uma olhada mais detalhada em dois nomes proeminentes nesse campo. Ambas as empresas, juntamente com a Microsoft, a Western Digital e várias outras instituições membros, formaram a Aliança de Armazenamento de Dados em DNA. A aliança visa abordar o crescimento de dados digitais, fornecendo uma solução de armazenamento de dados de arquivo sustentável e de baixo custo usando DNA e explorando sua comercialização inicial.
#1. Twist Bioscience Corporation
Essa empresa se especializa em DNA sintético e se concentra fortemente em tecnologias de armazenamento de dados em DNA. Com um valor de mercado de $2,57 bilhões, as ações da Twist Bioscience estão sendo negociadas atualmente a $43,98, com um aumento de 19,32% no ano. Seu EPS (TTM) é -3,81 e seu P/E (TTM) é -11,53.
(TWST )
Para o segundo trimestre de 2024, a empresa relatou receita de $75,3 milhões, o que representa um aumento de 25% em relação ao mesmo trimestre do ano anterior. A margem bruta também aumentou para 41% em comparação com 31%. Enquanto isso, cerca de 193.000 genes foram enviados durante o período. $293,3 milhões foram relatados em caixa, equivalentes de caixa e investimentos de curto prazo.
“Permanecemos firmes e focados em nosso caminho para a lucratividade.”
– CEO e Co-fundadora Emily M. Leproust, Ph.D.
#2. Illumina
Essa é uma líder em soluções de sequenciamento e baseadas em matriz, que são essenciais para o processamento e armazenamento de dados em DNA. Com um valor de mercado de $20,77 bilhões, as ações da Illumina estão sendo negociadas atualmente a $130,42, com uma queda de 6,33% no ano. Seu EPS (TTM) é -19,18 e seu P/E (TTM) é -6,80.
(ILMN )
Para o segundo trimestre de 2024, a empresa relatou receita de $1,09 bilhão, uma queda de 6% em relação ao 2T23. Sua margem operacional GAAP foi de 40,5% e sua margem operacional não GAAP foi de 22,2%. No final do trimestre, $994 milhões foram mantidos em caixa, equivalentes de caixa e investimentos de curto prazo.
“A equipe da Illumina apresentou resultados acima de nossas expectativas no trimestre, impulsionados pela execução disciplinada de nossas prioridades estratégicas.”
– CEO Jacob Thaysen
Conclusão
A crescente digitalização do mundo significa que os dados digitais estão prontos para um crescimento exponencial. Essa explosão de dados está prestes a superar a capacidade da tecnologia de armazenamento existente, impulsionando a necessidade de explorar e adotar novas soluções, como o armazenamento em DNA.
Como o novo estudo demonstrou, avanços contínuos estão tornando possível alcançar uma gama completa 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 forma programável e repetível, sem degradar o DNA.
O DNA, uma molécula notável encontrada em cada célula viva, oferece densidade extremamente alta, tornando-o a solução de armazenamento de longo prazo perfeita (não apenas para centenas, mas para milhares de anos). Isso aponta para seu vasto potencial em transformar o mundo de armazenamento e computação.
