Stocker des données dans l'ADN est beaucoup plus facile que de les récupérer

L'humanité crée des informations à un rythme sans précédent - environ 16 zettaoctets chaque année (un zettaoctet équivaut à un milliard de téraoctets). Et ce taux augmente. L'année dernière, le groupe de recherche IDC a calculé que nous produirons plus de 160 zettaoctets chaque année d'ici 2025.

Toutes ces données doivent être stockées et, par conséquent, nous avons besoin d'une mémoire beaucoup plus dense que celle dont nous disposons aujourd'hui. Une solution intrigante consiste à exploiter la structure moléculaire de l'ADN. Les chercheurs savent depuis longtemps que l'ADN peut être utilisé pour le stockage de données - après tout, il stocke le plan de fabrication des humains et le transmet d'une génération à l'autre.

Ce qui est impressionnant pour les informaticiens, c'est la densité des données stockées par l'ADN : un seul gramme peut contenir environ un zettaoctet.

Mais personne n'a proposé de système réaliste pour stocker des données dans une bibliothèque d'ADN et les récupérer ensuite en cas de besoin.

Aujourd'hui, cela change grâce aux travaux de Federico Tavella de l'Université de Padoue en Italie et de ses collègues, qui ont conçu et testé une telle technique basée sur des nanoréseaux bactériens.

Le principe est simple. Les bactéries transportent souvent des informations génétiques sous la forme de minuscules anneaux circulaires d'ADN double brin appelés plasmides. Ces molécules sont importantes car elles confèrent souvent certains avantages à la cellule hôte, comme la résistance aux antibiotiques.

Fondamentalement, les bactéries peuvent transférer des plasmides d'une cellule à une autre dans un processus connu sous le nom de conjugaison. C'est une façon pour les bactéries d'échanger des informations génétiques, et le processus forme un nanoréseau incroyablement complexe dans la nature.

C'est la base de la nouvelle technique. Tavella et co veulent exploiter ce nanoréseau pour transférer des informations qu'ils ont génétiquement modifiées dans les plasmides.

L'idée est de stocker des données dans des plasmides à l'intérieur de cellules bactériennes piégées à un endroit précis. Pour récupérer ces informations, les chercheurs envoient des bactéries mobiles sur ce site, où elles se conjuguent avec les bactéries piégées et capturent les plasmides porteurs de données. Enfin, les bactéries mobiles transportent ces informations vers un appareil qui extrait les plasmides et lit les données qu'ils transportent.

Tavella and co ont même réalisé une expérience de preuve de principe, en utilisant deux souches différentes de E. coli —HB101 et Novablue—résistants à différents antibiotiques. HB101 est résistant à la streptomycine, tandis que Novablue possède des plasmides résistants à la tétracycline. Novablue peut transmettre cette résistance à HB101 en transférant ces plasmides lors de la conjugaison.

Cela donne à l'équipe le contrôle sur l'endroit où les bactéries peuvent se développer. Par exemple, Novablue peut survivre en présence de tétracycline, mais pas HB101, à moins qu'il ne se soit conjugué avec Novablue et ne devienne résistant.

Ainsi, la mémoire prototype se compose d'une zone de stockage de données, d'un lecteur de données et d'un canal de transfert de données qui les relie. Pour stocker les données, les chercheurs encodent un simple message dans les plasmides résistants à la tétracycline portés par la bactérie Novablue. Conformément à la tradition, le message est Hello World. Ils incluent également un colorant fluorescent dans le plasmide afin qu'ils puissent surveiller son mouvement.

Pour commencer, les bactéries Novablue sont placées dans la zone de stockage des données, d'où elles ne peuvent pas s'échapper. En pratique, il s'agit d'une surface plane de gélose dure qui n'est pas adaptée à la motilité bactérienne. Dans tous les cas, l'équipe entoure cela de streptomycine, qui tue Novablue.

Le canal de transfert de données part d'une source de bactéries HB101 à travers la zone de stockage de données, puis vers le lecteur de données. Il s'agit d'une gélose molle adaptée à la motilité bactérienne. Et puisque HB101 est résistant à la streptomycine, il peut se déplacer à travers ce canal avec une relative facilité.

Cependant, la région entre la zone de stockage de données et le lecteur de données est riche en tétracycline ainsi qu'en streptomycine. Et cela empêche les deux bactéries de le traverser.

Ce qui se passe ensuite est essentiel. Les bactéries HB101 se rendent dans la zone de stockage des données, se conjuguent avec les bactéries Novablue et récupèrent les plasmides porteurs de données.

Mais cela leur confère également une résistance à la tétracycline. Et cela signifie que lorsqu'ils ont récupéré les données, ils peuvent ensuite parcourir le canal jusqu'au lecteur de données. Les chercheurs extraient ensuite les plasmides et lisent les données - Hello World. Ils peuvent observer la façon dont les informations circulent sur ce réseau grâce au colorant fluorescent.

Ce n'est pas exactement rapide : les bactéries HB101 mettent environ 72 heures pour traverser le canal de gélose. Les débits de données ressemblent donc à des escargots. Mais l'expérience montre comment une archive de données ADN pourrait fonctionner en principe.

Il y a un autre élément important d'une archive de données. Dans un tel système, il y aura de nombreux emplacements de stockage de données, et chacun devra être adressable. En d'autres termes, il doit y avoir un moyen pour les bactéries de transfert de données de trouver chaque emplacement.

Tavella and co a également une réponse à cela : un système de positionnement moléculaire analogue au système de positionnement global. Cela repose sur des balises qui libèrent chacune un produit chimique qui attire les bactéries. En effet, les bactéries peuvent être modifiées pour suivre ces traces chimiques.

Ensuite, avec trois traînées chimiques différentes, il est possible de trianguler une position dans l'espace. Lorsque les bactéries mobiles suivent les trois pistes, elles se retrouvent à l'endroit où les trois signaux chimiques se chevauchent. Dans les simulations, disent les chercheurs, ce processus fonctionne bien, mais ils ne l'ont pas encore essayé dans un laboratoire humide.

Néanmoins, le travail est une étape intéressante vers le stockage pratique des données à base d'ADN. Notre solution permet de stocker des informations codées numériquement dans des bactéries non mobiles, qui composent une architecture d'archives de grappes, et de les récupérer ultérieurement par des bactéries mobiles conçues, chaque fois que des opérations de lecture sont nécessaires, déclarent Tavella and co.

Et l'expérience de preuve de principe montre comment cela pourrait fonctionner. Nous avons mené des expériences en laboratoire humide qui montrent comment les nanoréseaux de bactéries peuvent efficacement récupérer un message simple, tel que 'Hello World', par conjugaison avec des bactéries non mobiles, et enfin se mobiliser vers un point final, disent-ils.

Bien sûr, de nombreux défis nous attendent. Le système de positionnement moléculaire est intéressant mais devra être testé dans un laboratoire humide pour voir à quel point il peut être polyvalent et pratique. Et les débits de données devront être augmentés. Cela ne sera pas possible en augmentant la vitesse à laquelle les bactéries se déplacent, mais les taux pourraient être considérablement améliorés en augmentant la quantité de données que chaque plasmide stocke.

Les premiers jours d'une technique potentiellement passionnante.

Réf : arxiv.org/abs/1801.04774 : Système de stockage moléculaire d'ADN : transfert d'informations codées numériquement via des nanoréseaux bactériens

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