Nel 2020, ogni persona nel mondo produce circa 1,7 megabyte di dati al secondo. In un solo anno, ciò equivale a 418 zettabyte, o 418 miliardi di dischi rigidi da un terabyte.

Attualmente memorizziamo i dati come uno e zero in sistemi magnetici o ottici con durate limitate. Nel frattempo, I data center consumano enormi quantità di energia e producono enormi emissioni di carbonio. In poche parole, il modo in cui archiviamo il nostro volume di dati in continua crescita è insostenibile.

DNA come memorizzazione dei dati

Ma c'è un'alternativa:memorizzare i dati in molecole biologiche come il DNA. In natura, Il DNA codifica, I negozi, e rende leggibili enormi quantità di informazioni genetiche in piccoli spazi (cellule, batteri, virus) e lo fa con un alto grado di sicurezza e riproducibilità.

Rispetto ai dispositivi di archiviazione dati convenzionali, Il DNA è più duraturo e compatto, può conservare dieci volte più dati, ha una densità di archiviazione 1000 volte superiore, e consuma 100 milioni di volte in meno di energia per archiviare la stessa quantità di dati di un'unità. Anche, un dispositivo di archiviazione dati basato sul DNA sarebbe minuscolo:i dati globali di un anno possono essere archiviati in soli quattro grammi di DNA.

Ma archiviare dati con il DNA comporta anche costi esorbitanti, meccanismi di scrittura e lettura dolorosamente lenti, ed è suscettibile di letture errate.

Nanopori in soccorso

Un modo è usare fori di dimensioni nanometriche chiamati nanopori, quali batteri spesso colpiscono altre cellule per distruggerle. I batteri attaccanti utilizzano proteine ​​specializzate note come "tossine che formano pori" che si attaccano alla membrana della cellula e formano un canale simile a un tubo attraverso di essa.

Nella bioingegneria, i nanopori sono usati per "rilevare" le biomolecole, come DNA o RNA. La molecola passa attraverso il nanoporo come una corda, guidato dalla tensione, e i suoi diversi componenti producono segnali elettrici distinti (una "firma ionica") che possono essere utilizzati per identificarli. E a causa della loro elevata precisione, i nanopori sono stati anche provati per leggere le informazioni codificate dal DNA.

Ciò nonostante, i nanopori sono ancora limitati da letture a bassa risoluzione, un vero problema se i sistemi a nanopori verranno mai utilizzati per l'archiviazione e la lettura dei dati.

Nanopori di aerolisina

Il potenziale dei nanopori ha ispirato gli scienziati della School of Life Sciences dell'EPFL a esplorare i nanopori prodotti dalla tossina che forma i pori aerolisina, prodotta dal batterio Aeromonas hydrophila. Guidati da Matteo Dal Peraro presso la School of Life Sciences dell'EPFL, i ricercatori mostrano che i nanopori di aerolisina possono essere utilizzati per decodificare le informazioni binarie.

Nel 2019, Il laboratorio di Dal Peraro ha dimostrato che i nanopori possono essere utilizzati per rilevare molecole più complesse, come le proteine. In questo studio, pubblicato in Progressi scientifici , il team ha unito le forze con il laboratorio di Alexandra Radenovic (EPFL School of Engineering) e ha adattato l'aerolisina per rilevare molecole fatte su misura proprio per essere lette da questo poro. La tecnologia è stata depositata come brevetto.

Le molecole, noti come polimeri digitali, sono stati sviluppati nel laboratorio di Jean-François Lutz presso l'Institut Charles Sadron del CNRS a Strasburgo. Sono una combinazione di nucleotidi di DNA e monomeri non biologici progettati per passare attraverso i nanopori di aerolisina e fornire un segnale elettrico che potrebbe essere letto come un bit di dati.

I ricercatori hanno utilizzato mutanti dell'aerolisina per progettare sistematicamente i nanopori per leggere i segnali dei loro polimeri informativi. Hanno ottimizzato la velocità dei polimeri che passano attraverso il nanoporo in modo che possa emettere un segnale identificabile in modo univoco. "Ma a differenza delle letture nanopori convenzionali, questo segnale forniva una lettura digitale con risoluzione a bit singolo, e senza compromettere la densità delle informazioni, "dice il dottor Chan Cao, il primo autore del saggio.

Per decodificare i segnali di lettura, il team ha utilizzato il deep learning, che ha permesso loro di decodificare fino a 4 bit di informazioni dai polimeri con elevata precisione. Hanno anche usato l'approccio per identificare alla cieca miscele di polimeri e determinarne la concentrazione relativa.

Il sistema è notevolmente più economico rispetto all'utilizzo del DNA per l'archiviazione dei dati, e offre una maggiore resistenza. Inoltre, è "miniaturizzabile, " il che significa che potrebbe essere facilmente incorporato in dispositivi di archiviazione dati portatili.

"Ci sono diversi miglioramenti su cui stiamo lavorando per trasformare questa piattaforma di ispirazione biologica in un vero prodotto per l'archiviazione e il recupero dei dati, ", afferma Matteo Dal Peraro. "Ma questo lavoro mostra chiaramente che un nanoporo biologico può leggere analiti ibridi DNA-polimero. Siamo entusiasti perché questo apre nuove prospettive promettenti per le memorie a base di polimeri, con importanti vantaggi per la densità ultraelevata, archiviazione a lungo termine e portabilità del dispositivo."