Au cours des dernières années, les scientifiques ont décodé les génomes de mammouths et de chevaux vieux de 700 000 ans à l'aide de fragments d'ADN extraits de fossiles. L'ADN dure définitivement beaucoup plus longtemps que les organismes pour lesquels il porte des codes génétiques. Les informaticiens et les ingénieurs rêvent depuis longtemps d'exploiter la diminution et la résilience de l'ADN pour stocker des données numériques. Ils veulent coder tous ces zéros et ces uns dans les molécules A, C, G et T, qui forment l'escalier en colimaçon du polymère d'ADN - et les progrès de cette décennie dans la synthèse et le séquençage de l'ADN ont conduit à une percée majeure. Des expériences récentes ont montré qu'un jour nous pourrons encoder toutes les informations numériques du monde dans quelques litres d'ADN - et les relire des milliers d'années plus tard.
L'intérêt de Microsoft et d'autres entreprises technologiques augmente les tensions dans ce domaine. Le mois dernier, Microsoft Research a déclaré qu'il paierait la start-up de biologie synthétique Twist Bioscience pour créer 10 millions de brins d'ADN conçus par les informaticiens de Microsoft pour stocker des données. Micron Technology, un fabricant de mémoire de premier plan, finance également la recherche sur le stockage d'ADN pour déterminer si un système d'acide nucléique peut repousser les limites de la mémoire électronique. Cet afflux d'argent et d'intérêts pourrait progressivement réduire les coûts exorbitants et rendre possible le stockage des données dans l'ADN d'ici dix ans, selon les chercheurs.
Les humains généreront plus de 16 billions de gigaoctets de données numériques d'ici 2017, dont la plupart devront être archivés. Données juridiques, financières et médicales, ainsi que, bien sûr, fichiers multimédias. Aujourd'hui, les données sont stockées sur des disques durs, des disques optiques dans des centres de données énergivores de la taille d'un entrepôt. Au mieux, ces données sont stockées pendant trente ans, au pire - plusieurs. De plus, selon Karin Strauss, architecte informatique de Microsoft Research, «nous produisons beaucoup plus de données que l'industrie du stockage ne peut le faire, et les projections montrent que l'écart se creusera».
Maintenant, ajoutons de l'ADN à tout cela. Il peut vivre des siècles s'il est conservé dans un endroit frais et sec. En théorie, il peut emballer des milliards de gigaoctets de données dans un cube de sucre. La bande, le support de stockage le plus dense disponible aujourd'hui, peut contenir 10 gigaoctets dans le même espace. «L'ADN est un support de stockage incroyablement dense, durable et non volatil», déclare Olgica Milenkovic, professeur de génie électrique et informatique à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.
En effet, chacune des quatre molécules de construction - adénine (A), cytosine ©, guanine (G) et thymine (T) - occupe un nanomètre cube de volume. En utilisant un système de codage - par exemple, dans lequel A représente les bits «00», C représente «01», etc. - les scientifiques peuvent prendre les rangées de uns et de zéros qui composent les fichiers de données numériques et créer un brin d'ADN contenant un instantané ou une vidéo. Bien sûr, la vraie technique de codage est beaucoup plus compliquée que ce que nous avons écrit pour vous ici. Conception La synthèse de brins d'ADN est le processus d'écriture de données. Les scientifiques peuvent ensuite les lire en séquençant les chaînes.
Le généticien de Harvard George Church a fondé ce domaine de recherche en 2012 en codant 70 milliards d'exemplaires du livre - un million de gigabits - dans un millimètre cube d'ADN. Un an plus tard, des scientifiques de l'Institut européen de bioinformatique ont montré qu'ils pouvaient lire, sans une seule erreur, 739 kilo-octets de données enfermées dans l'ADN.
L'année dernière, plusieurs équipes de scientifiques ont démontré des systèmes pleinement fonctionnels. En août, des scientifiques de l'ETH Zurich ont encapsulé de l'ADN synthétique dans du verre, soumis à des conditions simulant l'expiration de 2000 ans, et ont complètement récupéré les données codées. En parallèle, Milenkovic et ses collègues ont rapporté que six universités américaines avaient sauvegardé des pages Wikipédia dans l'ADN et - en fournissant aux séquences des «adresses» spéciales - lues et éditées sélectivement des parties du texte écrit. L'accès aléatoire aux données est essentiel pour éviter d'avoir à "séquencer un livre entier pour ne lire qu'un seul paragraphe", explique Milenkovich.
En avril, Strauss et les scientifiques Jord Seelig et Luis Tsese de l'Université de Washington ont rapporté qu'ils avaient pu enregistrer trois fichiers image, chacun de plusieurs dizaines de kilo-octets, dans 40000 brins d'ADN en utilisant leur propre schéma de codage, puis les lire individuellement, non faire des erreurs. Ils ont présenté leurs travaux en avril lors d'une conférence de l'Association for Electronic Computing. Avec les 10 millions de chaînes que Microsoft achète à Twist Bioscience, les scientifiques prévoient de prouver que les données ADN peuvent être stockées à une échelle beaucoup plus grande. «Notre objectif est de démontrer un système final dans lequel nous encodons des fichiers ADN, synthétisons des molécules, les stockons pendant une longue période, puis les restaurons en séquençant l'ADN», déclare Strauss. "Nous commençons par les rythmes et revenons aux rythmes."
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Le fabricant de mémoire Micron étudie l'ADN en tant que technologie post-silicium. La société finance le travail de scientifiques de l'Église et de l'Université de l'Idaho pour créer un système de stockage sans erreur dans l'ADN. «Le coût croissant du stockage entraînera des solutions alternatives, et le stockage d'ADN est l'une des solutions les plus prometteuses», a déclaré Gurtei Sandu, directeur du développement des technologies avancées chez Micron.
Les scientifiques cherchent toujours des moyens de réduire le nombre d'erreurs dans le codage et le décodage des données. Mais la plupart des technologies sont déjà en place. Alors, qu'est-ce qui nous empêche de passer des entrepôts de données de la taille d'une boîte à chaussures à des capsules en verre d'ADN? Coût. «Le processus d'enregistrement est un million de fois plus cher», déclare Seelig.
Voici pourquoi: faire de l'ADN consiste à enfiler des molécules de taille nanométrique une par une avec une grande précision - ce n'est pas une tâche facile. Bien que le coût du séquençage ait chuté en raison de la demande en croissance rapide pour ce service, la synthèse d'ADN n'avait pas de moteur similaire sur le marché. Milenkovic a payé environ 150 dollars pour créer une chaîne de 1 000 nucléotides synthétisés. Le séquençage d'un million de nucléotides coûte environ un centime.
L'intérêt pour le stockage de données de Microsoft et de Micron n'est peut-être que l'élan nécessaire pour commencer à réduire les coûts, dit Seelig. Une ingénierie intelligente et de nouvelles technologies telles que la microfluidique et le séquençage de l'ADN nanopore qui aident à réduire et à accélérer le processus contribueront également à progresser. Il faut maintenant des heures pour séquencer plusieurs centaines de paires de bases - et des jours pour les synthétiser - à l'aide de plusieurs équipements. J'aimerais pouvoir faire tout cela dans une petite boîte, sinon l'avantage de la densité de stockage serait perdu.
Si tout se passe bien, Strauss envisage des entreprises offrant des services d'archivage de conservation d'ADN pour la prochaine décennie. «Vous pouvez ouvrir votre navigateur et télécharger des fichiers sur leur site ou récupérer vos octets comme vous le feriez avec le cloud», dit-elle. Ou vous pouvez acheter un disque ADN au lieu d'un disque dur.
ILYA KHEL
