Oggetti quotidiani come dispositivi di archiviazione dati
Un team di ricercatori dell'ETH è in grado di utilizzare un nuovo metodo per trasformare quasi tutti gli oggetti in dispositivi di archiviazione dati. In questo modo è possibile memorizzare dati estesi nei bottoni delle camicie, nelle bottiglie d'acqua o persino nelle lenti degli occhiali, ad esempio, e leggerli a distanza di anni. La tecnologia è adatta anche per nascondere le informazioni e conservarle per le generazioni future. Il materiale genetico DNA funge da supporto di memorizzazione.
Gli esseri viventi portano con sé le proprie istruzioni di costruzione e di funzionamento sotto forma di DNA. Non così gli oggetti inanimati: Chiunque produca un oggetto con una stampante 3D ha bisogno anche di un manuale di costruzione. Tuttavia, è possibile stampare nuovamente lo stesso oggetto a distanza di anni solo se si dispone ancora delle informazioni digitali originali. Le istruzioni di stampa non sono solitamente memorizzate nell'oggetto stesso.
Ricercatori dell'ETH di Zurigo, insieme a un collega israeliano, hanno sviluppato un modo per memorizzare ampie informazioni in quasi tutti gli oggetti. "Questo permette di integrare le istruzioni di stampa 3D in un oggetto in modo che possano essere lette direttamente dall'oggetto anche a distanza di decenni o secoli", spiega Robert Grass, professore del Dipartimento di chimica e scienze biologiche applicate. Le informazioni sono memorizzate come negli esseri viventi: nelle molecole di DNA.
Il "DNA delle cose"
Questo è possibile grazie a diversi sviluppi degli ultimi anni. Uno è l'approccio di Grass che consiste nell'etichettare i prodotti con un "codice a barre" di DNA incorporato in minuscole perle di vetro. Queste nanosfere possono essere utilizzate come traccianti negli studi geologici, ad esempio, o possono essere impiegate per contrassegnare prodotti alimentari di alta qualità per distinguerli dalle contraffazioni. Il codice a barre è relativamente breve: 100 bit (100 cifre "0" o "1"). Questa tecnologia viene ora commercializzata dallo spin-off Haelixa dell'ETH.
D'altra parte, negli ultimi anni è stato possibile memorizzare quantità molto grandi di dati nel DNA. Il collega di Grass, Yaniv Erlich, un informatico israeliano con cui collabora attualmente, ha sviluppato un metodo che teoricamente consente di memorizzare 215.000 terabyte di dati in un solo grammo di DNA. Un anno fa lo stesso Grass ha memorizzato un intero album musicale nel DNA, che corrispondeva a 15 megabyte di dati (si veda l'articolo di ETH News). articolo dell'ETH).
Grass ed Erlich hanno ora combinato questi approcci per creare una nuova forma di archiviazione dei dati, come riportano nella rivista pagina esternaNatura Biotecnologia rapporto. La forma di memorizzazione è stata chiamata "DNA delle cose", in riferimento all'"Internet delle cose", in cui gli oggetti sono collegati alle informazioni via Internet.
Paragonabile alla biologia
Come esempio di applicazione, gli scienziati hanno utilizzato la stampa 3D per produrre un coniglietto di plastica che porta con sé le proprie istruzioni di costruzione (pari a circa 100 kilobyte). I ricercatori hanno aggiunto alla plastica delle perle di vetro contenenti DNA. "Proprio come i conigli veri, anche i nostri coniglietti portano con sé il proprio progetto", spiega Grass.
E come in biologia, questo nuovo approccio tecnologico preserva le informazioni anche per diverse generazioni. Gli scienziati lo hanno dimostrato recuperando le informazioni di stampa da una piccola parte del coniglietto e stampando un nuovo coniglietto. Sono riusciti a ripetere questo processo per cinque volte. In altre parole, hanno prodotto dei "trisavoli" del coniglietto.
"Tutte le altre forme di memorizzazione conosciute hanno una geometria immutabile: un disco rigido deve sembrare un disco rigido, un CD un CD. Non si può cambiare la forma senza perdere informazioni", spiega Erlich. "Il DNA è attualmente l'unica forma di memorizzazione dei dati che può esistere anche in forma liquida. Questo ci permette di incorporarlo in oggetti di qualsiasi forma".
Nascondere le informazioni
Un'altra applicazione della tecnologia è quella di nascondere informazioni negli oggetti di uso quotidiano. Gli esperti la chiamano steganografia. Gli scienziati hanno usato la storia come esempio illustrativo: uno dei pochi documenti che oggi testimoniano la vita nel ghetto di Varsavia durante la Seconda Guerra Mondiale è un archivio segreto che uno storico ebreo e un abitante del ghetto crearono all'epoca e nascosero alle truppe di Hitler in barattoli di latte. Oggi questo archivio fa parte del Patrimonio documentario mondiale.
Grass, Erlich e i loro colleghi hanno utilizzato questa tecnologia per creare un sistema di archiviazione dati. pagina esternaCortometraggio I ricercatori sono riusciti a memorizzare questo archivio (1,4 megabyte) su perle di vetro, che hanno modellato in una lente per occhiali poco appariscente. "Con occhiali come questi, sarebbe facile superare i controlli di sicurezza in aeroporto e trasportare informazioni da un luogo all'altro senza essere riconosciuti", spiega Erlich. In linea di principio, le perle di vetro potrebbero essere nascoste in tutti gli oggetti di plastica che non devono essere riscaldati troppo durante la produzione, ad esempio in epossidici, poliesteri, poliuretani e siliconi.
Caratterizzazione di farmaci e materiali da costruzione
La tecnologia potrebbe essere utilizzata anche per etichettare farmaci o materiali da costruzione come adesivi o vernici. Le informazioni sulla loro qualità potrebbero essere memorizzate direttamente nel farmaco o nel materiale da costruzione, come dice Grass. Ciò consentirebbe alle autorità di monitoraggio dei farmaci di leggere i risultati delle misurazioni del controllo di qualità della produzione direttamente dal prodotto. Nel caso degli edifici, ad esempio, sarebbe possibile scoprire quali prodotti di quali produttori sono stati utilizzati durante la costruzione.
Il metodo è attualmente ancora relativamente costoso. Tradurre un file di stampa 3D come quello del coniglietto in informazioni sul DNA costa circa 2.000 franchi, dice Grass. Gran parte di questa cifra viene spesa per sintetizzare le molecole di DNA corrispondenti. Maggiore è il numero di pezzi di un oggetto, minore è il costo del singolo pezzo.
Letteratura di riferimento
Koch J, Gantenbein S, Masania K, Stark WJ, Erlich Y, Grass RN: Un'architettura di archiviazione del DNA delle cose per creare materiali con memoria incorporata. Nature Biotechnology, 9 dicembre 2019, doi: pagina esterna10.1038/s41587-019-0356-z