in 2020, elke persoon in de wereld produceert elke seconde ongeveer 1,7 megabyte aan gegevens. In slechts één jaar tijd, dat komt neer op 418 zettabytes - of 418 miljard harde schijven van één terabyte.

Momenteel slaan we gegevens op als enen en nullen in magnetische of optische systemen met een beperkte levensduur. In de tussentijd, datacenters verbruiken enorme hoeveelheden energie en produceren enorme ecologische voetafdrukken. Simpel gezegd, de manier waarop we onze steeds groter wordende hoeveelheid gegevens opslaan, is onhoudbaar.

DNA als gegevensopslag

Maar er is een alternatief:gegevens opslaan in biologische moleculen zoals DNA. In de natuur, DNA codeert, winkels, en maakt grote hoeveelheden genetische informatie leesbaar in kleine ruimtes (cellen, bacteriën, virussen) en doet dit met een hoge mate van veiligheid en reproduceerbaarheid.

In vergelijking met conventionele apparaten voor gegevensopslag, DNA is duurzamer en compacter, kan tien keer meer gegevens bewaren, heeft een 1000 keer hogere opslagdichtheid, en verbruikt 100 miljoen keer minder energie om dezelfde hoeveelheid gegevens als een schijf op te slaan. Ook, een op DNA gebaseerd apparaat voor gegevensopslag zou klein zijn:een jaar aan wereldwijde gegevens kan worden opgeslagen in slechts vier gram DNA.

Maar data opslaan met DNA brengt ook exorbitante kosten met zich mee, pijnlijk trage schrijf- en leesmechanismen, en is gevoelig voor verkeerde aflezingen.

Nanoporiën te hulp

Een manier is om gaten van nanoformaat te gebruiken, nanoporiën genaamd. welke bacteriën vaak in andere cellen slaan om ze te vernietigen. De aanvallende bacteriën gebruiken gespecialiseerde eiwitten die bekend staan ​​als "porievormende toxines" die zich hechten aan het celmembraan en er een buisachtig kanaal doorheen vormen.

Bij bio-engineering, nanoporiën worden gebruikt voor het "voelen" van biomoleculen, zoals DNA of RNA. Het molecuul gaat als een touwtje door de nanoporiën, gestuurd door spanning, en de verschillende componenten ervan produceren verschillende elektrische signalen (een "ionische handtekening") die kunnen worden gebruikt om ze te identificeren. En vanwege hun hoge nauwkeurigheid, nanoporiën zijn ook uitgeprobeerd voor het lezen van DNA-gecodeerde informatie.

Niettemin, nanoporiën worden nog steeds beperkt door uitlezingen met een lage resolutie - een echt probleem als nanoporiënsystemen ooit worden gebruikt voor het opslaan en lezen van gegevens.

Aerolysine nanoporiën

Het potentieel van nanoporiën inspireerde wetenschappers van EPFL's School of Life Sciences om nanoporiën te onderzoeken die worden geproduceerd door het porievormende toxine aerolysine, gemaakt door de bacterie Aeromonas hydrophila. Onder leiding van Matteo Dal Peraro bij EPFL's School of Life Sciences, de onderzoekers laten zien dat aerolysine-nanoporiën kunnen worden gebruikt voor het decoderen van binaire informatie.

in 2019, Dal Peraro's lab toonde aan dat nanoporiën kunnen worden gebruikt voor het detecteren van complexere moleculen, zoals eiwitten. In dit onderzoek, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , het team sloeg de handen ineen met het laboratorium van Alexandra Radenovic (EPFL School of Engineering) en paste aerolysine aan om moleculen te detecteren die precies op maat gemaakt zijn om door deze porie te worden gelezen. Op de technologie is patent aangevraagd.

de moleculen, bekend als digitale polymeren, werden ontwikkeld in het laboratorium van Jean-François Lutz aan het Institut Charles Sadron van het CNRS in Straatsburg. Ze zijn een combinatie van DNA-nucleotiden en niet-biologische monomeren die zijn ontworpen om door aerolysine-nanoporiën te gaan en een elektrisch signaal af te geven dat als een beetje gegevens kan worden uitgelezen.

De onderzoekers gebruikten aerolysinemutanten om systematisch nanoporiën te ontwerpen voor het uitlezen van signalen van hun informatieve polymeren. Ze optimaliseerden de snelheid van de polymeren die door de nanoporie gaan, zodat het een uniek identificeerbaar signaal kan afgeven. "Maar in tegenstelling tot conventionele uitlezingen van nanoporiën, dit signaal leverde digitale uitlezing met een resolutie van één bit, en zonder afbreuk te doen aan de informatiedichtheid, " zegt Dr. Chan Cao, de eerste auteur van het artikel.

Om de uitleessignalen te decoderen, gebruikte het team deep learning, waardoor ze tot 4 bits informatie van de polymeren met hoge nauwkeurigheid konden decoderen. Ze gebruikten de benadering ook om mengsels van polymeren blindelings te identificeren en hun relatieve concentratie te bepalen.

Het systeem is aanzienlijk goedkoper dan het gebruik van DNA voor gegevensopslag, en biedt een langer uithoudingsvermogen. In aanvulling, het is "miniaturiseerbaar, " wat betekent dat het gemakkelijk kan worden opgenomen in draagbare apparaten voor gegevensopslag.

"Er zijn verschillende verbeteringen waaraan we werken om dit bio-geïnspireerde platform om te zetten in een echt product voor het opslaan en ophalen van gegevens, ", zegt Matteo Dal Peraro. "Maar dit werk toont duidelijk aan dat een biologische nanoporie hybride DNA-polymeeranalyten kan lezen. We zijn enthousiast omdat dit nieuwe veelbelovende perspectieven opent voor op polymeren gebaseerde herinneringen, met belangrijke voordelen voor ultrahoge dichtheid, opslag op lange termijn en draagbaarheid van apparaten."