Una citazione di Jane Austen codificata in molecole di plastica. Un nuovo sistema di archiviazione dati

Le parole “se uno schema di felicità fallisce, la natura umana si trasforma in un altro” furono originariamente pubblicate nel 1814 nel Mansfield Park di Jane Austen. A quel tempo, le parole venivano stampate utilizzando rivoluzionarie stampanti a vapore in grado di scorrere oltre un migliaio di fogli di carta all’ora.

Dall’inizio degli anni 2000, è stato possibile leggere online tutte le opere di Jane Austen, compreso Mansfield Park. Ma a partire da quest’anno, l’elenco dei luoghi in cui vengono pubblicate le sue parole ha avuto un’aggiunta bizzarra.

In un nuovo studio, un team dell’Università del Texas ha codificato una citazione di Mansfield Park su una minuscola molecola di plastica. I ricercatori sperano che lo studio aiuti a dimostrare la fattibilità di un nuovo tipo di tecnologia per l’archiviazione dei dati.

L’archiviazione è sempre stata un problema. Anche le copie più accuratamente conservate e protette della tiratura originale di Mansfield Park mostrano la loro età, con l’inchiostro che sbiadisce e la carta si increspa.

Oggi produciamo più dati che mai. Le stime attuali dicono che produciamo 1.145 trilioni di megabyte di dati al giorno: se qualcuno tentasse di scaricarli tutti utilizzando le attuali velocità di Internet, ci vorrebbero quasi due miliardi di anni.

Ma i vasti data center che attualmente utilizziamo per archiviare i dati, in gran parte utilizzando nastri magnetici, non sono all’altezza del compito. Anche se c’è una costante evoluzione nell’hardware e nel software, i requisiti per potenze di elaborazione più veloci e componenti più piccoli significano che la mancanza di uno storage efficace sta creando un collo di bottiglia e quindi il sistema attuale non è in grado di tenere il passo con la domanda.

La ricerca è attiva per alternative più piccole, più stabili ed efficienti ai dischi rigidi digitali. L’interesse della ricerca di recente si è puntato sull’archiviazione dei dati nel DNA: l’idea che potessimo usare gli elementi costitutivi della vita, il sistema che la natura ha evoluto per milioni di anni per codificare il progetto della nostra specie, come mezzo per memorizzare e leggere la nostra storia e conoscenza. Quando uno schema tecnologico fallisce, la natura umana si rivolge a un altro.

Immagine generata da computer del DNA e dei circuiti.
I ricercatori stanno esaminando l’archiviazione dei dati sul DNA. Foto di Shutterstock / CI

Come molecola, il DNA dura a lungo – 500.000 anni se conservato correttamente – superando di gran lunga la durata potenziale della carta e dell’inchiostro di un ordine di diverse grandezze. Ma deve essere mantenuto sterile e necessita di un’attenta manipolazione. Ciò può rendere costosa la memorizzazione delle informazioni utilizzando il DNA.

Ma esiste un’altra classe di materiali nota per durare anche più a lungo del DNA. Questi prodotti sintetici scoperti un secolo fa hanno stabilità, facilità di produzione e un potenziale di conservazione che supera di gran lunga il DNA. Queste plastiche, o più specificamente, polimeri, sono molecole a catena lunga che possono essere descritte più facilmente come contenenti più unità ripetitive, ciascuna nota come monomero.

I ricercatori calcolano le quattro coppie di basi del DNA possono memorizzare 10¹⁹ bit di informazioni per metro cubo. Ma quando usiamo i polimeri, abbiamo più di quattro elementi da utilizzare. In effetti, ci sono tante scelte di monomeri quante ne puoi trovare in commercio, quindi c’è il potenziale per aumentare la densità delle informazioni in modo esponenziale.

Per i loro monomeri, o elementi costitutivi, il team in Texas ha utilizzato sedici diversi amminoalcoli. Unendoli insieme, hanno creato diciotto molecole più lunghe, chiamate oligomeri, ciascuna composta da singoli monomeri. All’interno delle molecole più lunghe, le combinazioni di monomeri corrispondevano a lettere specifiche, con monomeri più economici corrispondenti a lettere più comunemente usate.

Quando vengono rilette, le molecole rivelano la citazione di Jane Austen da Mansfield Park.

“Se uno schema di felicità fallisce, la natura umana si rivolge a un altro; se il primo calcolo è sbagliato, miglioriamo il secondo: troviamo conforto da qualche parte“.

I ricercatori hanno scelto il passaggio perché lo hanno trovato “edificante in questi tempi difficili, ed è facilmente comprensibile senza il contesto nel libro“.

La squadra ha sicuramente riscontrato che “se il primo calcolo è sbagliato, miglioriamo il secondo”. Il loro primo esperto indipendente a convalidare il loro metodo è stato in grado di recuperare solo il 98,7% dei dati. Con alcune modifiche al processo di lettura, sono stati in grado di restituire la decifrazione completa di tutte le 158 sequenze di monomeri senza errori.

L'immagine di un libro che mostra una citazione dal Mansfield Park di Jane Austen scritta su 18 molecole.
Gli autori hanno scelto la citazione perché era “edificante in questi tempi difficili”. Sarah Moor , autore fornito

Archiviazione dati in plastica

Le materie plastiche potrebbero non essere la scelta più ovvia per l’archiviazione dei dati ma, in effetti, sono un materiale estremamente adatto da utilizzare.

Da quando abbiamo iniziato la produzione in serie di materie plastiche, ci siamo tradizionalmente concentrati sull’impiego di un singolo tipo di monomero per prodotto o di semplici combinazioni di uno o due monomeri. Questi sono arrivati ​​a dominare i nostri modi di vita.

Le materie plastiche sono stabili in condizioni ambientali normali. Sebbene in molti casi questo sia uno svantaggio, come quando si fanno strada nell’ambiente, in alcuni casi questa proprietà si rivela estremamente utile.

Negli ultimi 50 anni, i ricercatori hanno fatto passi da gigante riducendo la dispersità (la variazione molecolare – di solito in massa o forma) dei polimeri sintetici e migliorando la nostra capacità di controllare la distribuzione della sequenza dei monomeri.

Il nuovo studio ha dimostrato che andando al di fuori dei confini del DNA, è possibile codificare informazioni più complesse in una lunghezza della catena molto più piccola, a causa della maggiore scelta di monomeri disponibili.

L’uso futuro dipenderà probabilmente dalla disponibilità commerciale dei monomeri, ad esempio quali amminoalcoli possono essere facilmente accessibili da fonti rinnovabili. Ma il potenziale è vasto. La codifica dei polimeri a catena corta non è molto lontana dalla codifica del DNA e il processo di lettura delle sequenze è simile in entrambi.

Il team in Texas prevede di esaminare i colli di bottiglia riguardanti la scalabilità di questo metodo, interrogando la velocità e l’efficienza dei processi di scrittura e lettura.

Sebbene il testo cartaceo originale di Mansfield Park inevitabilmente svanirà nei secoli a venire, un piccolo frammento di esso resterà conservato su un polimero forse per millenni – finché avremo l’attrezzatura per decodificarlo. Come dichiara l’ultimo frammento della citazione, “troviamo conforto da qualche parte“.

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