Para el almacenamiento de imágenes, las cadenas de ADN podrían ser una alternativa sostenible y estable a los discos duros. Investigadores de la EPFL están desarrollando un nuevo estándar de compresión de imágenes diseñado específicamente para esta tecnología emergente.
Dentro de unos años, tomaremos colectivamente más de dos billones de fotos al año. Algunas imágenes permanecerán en nuestros teléfonos inteligentes, pero muchas se almacenarán en la nube, llenando las cintas magnéticas y los discos duros de los centros de datos. Sin embargo, estos sistemas tienen límites en cuanto a la cantidad de datos que pueden almacenar y su duración, por no mencionar su impacto ambiental.
Una alternativa podría ser almacenar imágenes en ADN. «Estimamos que un solo gramo de ADN podría contener alrededor de 215 millones de gigabytes de datos», afirma Touradj Ebrahimi, experto en procesamiento de imágenes y director del Grupo de Procesamiento de Señales Multimedia de la EPFL. «Eso equivale a 860.000 discos duros externos con una capacidad de 250 GB, o suficiente para almacenar unas 50.000 imágenes cada uno».
Miles de años de almacenamiento de datos
El ADN contiene toda la información que los organismos necesitan para vivir, crecer y reproducirse. Y puede almacenar esta información durante muchísimo tiempo. En 2022, científicos descubrieron ADN en la capa de hielo de Groenlandia, que tenía dos millones de años .
Hoy en día, los científicos pueden leer y escribir este «código de la vida» gracias a los avances en la secuenciación y síntesis del ADN. Las cadenas de ADN codifican la información genética mediante secuencias específicas de cuatro nucleótidos: adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G).
Cuando se utiliza ADN para almacenar datos, el primer paso es convertir el formato binario (0, 1) en secuencias de ADN (A, T, C, G). Estas secuencias se sintetizan posteriormente en cadenas de ADN y se conservan en entornos adecuados. Al leer los datos, las cadenas de ADN se decodifican mediante el mismo proceso a la inversa.
JPEG DNA, el estándar de próxima generación
Este enfoque ofrece un gran potencial para el archivo a largo plazo, pero persisten varios obstáculos. Uno es su elevado coste; otro, el considerable tiempo necesario tanto para archivar como para recuperar los datos. Sin embargo, el ADN ofrece importantes ventajas en cuanto a su alta densidad de almacenamiento, larga vida útil y bajo consumo de energía. Investigadores de todo el mundo, incluidos los del laboratorio de Ebrahimi, están explorando esta tecnología.
Como jefe del comité del Grupo Conjunto de Expertos en Fotografía (JPEG), cargo que ocupa desde 2014, Ebrahimi está ayudando a consolidar el formato JPEG como el principal estándar de almacenamiento de imágenes adaptándolo a las nuevas tecnologías y los cambios sociales.
Su proyecto más reciente es JPEG DNA, realizado en colaboración con la Comisión Electrotécnica Internacional, la Universidad Takushoku de Japón y otras organizaciones. El proyecto busca desarrollar un estándar de compresión de imágenes para su uso con ADN sintético. «Recrear imágenes con precisión tras su codificación, sintetización, almacenamiento, amplificación y secuenciación supone un verdadero reto», afirma Ebrahimi. «Pero con un estándar ampliamente adoptado en el que basarse, los ingenieros podrán desarrollar métodos eficaces de codificación y compresión de imágenes».
Como parte de este proyecto, el grupo de investigación de Ebrahimi diseñó un procedimiento de codificación que permite evaluar diferentes métodos de almacenamiento basados en ADN. El procedimiento incluye un conjunto de imágenes predefinidas para realizar pruebas, criterios para comparar diferentes métodos, mecanismos de corrección de errores y técnicas para gestionar restricciones bioquímicas, como la frecuencia y el orden de los símbolos de ADN producidos por la imagen, que pueden desestabilizar las cadenas de ADN.
Codificación del ADN
Para gestionar archivos multimedia de gran tamaño, el equipo de investigación desarrolló un novedoso algoritmo de compresión de imágenes que puede codificar eficientemente datos binarios en secuencias de ADN. Las imágenes en formato .jpg no requieren decodificación previa. Su nuevo algoritmo no solo es rápido y fiable, sino que también produce menos ADN sintético, requiere menos potencia de procesamiento y ofrece una mejor calidad de imagen.
Los ingenieros de la EPFL trabajaron con el comité JPEG para incorporar tanto el código fuente (para la compresión de imágenes) como la codificación de canal ruidoso (para hacer el programa más robusto a los errores y adaptado a las limitaciones bioquímicas del ADN) en el estándar JPEG ADN.
«Gracias a los recientes avances en inteligencia artificial y aprendizaje automático, deberíamos poder refinar el estándar JPEG DNA mejorando los mecanismos de codificación y corrección de errores, manteniéndolos compatibles con la sintaxis del estándar y el procedimiento de decodificación de fuentes», afirma Ebrahimi.
El comité JPEG planea introducir el estándar internacional JPEG DNA en 2026.
El proyecto JPEG DNA se exhibe actualmente en el Pabellón Suizo de la Exposición Universal de Osaka.
Referencias
“Codificación de imágenes fijas”: https://ds.jpeg.org/documents/jpegdna/wg1n100517-099-ICQ-JPEG_DNA_Common_Test_Conditions_v2.pdf
“Hacia un almacenamiento eficaz de información visual con soporte de ADN”: https://infoscience.epfl.ch/entities/publication/001e1840-d15a-49a6-8b7d-932e6eb2b9bd
“Mejora de la calidad de imagen en la compresión de imágenes de próxima generación”: https://infoscience.epfl.ch/entities/publication/a2d6de17-8027-461a-9d6e-1998a2e93f46
EPFL News. J. H. Traducido al español
