Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord et de l’Université Johns Hopkins ont démontré qu’une technologie capable de réaliser une série de fonctions de stockage et de calcul de données (stockage, récupération, calcul, effacement ou réécriture de données de manière répétée) utilise l’ADN plutôt que l’électronique conventionnelle. Les technologies de stockage et de calcul de données ADN antérieures pouvaient réaliser certaines de ces tâches, mais pas toutes.
L’article, intitulé « Un magasin d’ADN primordial et un moteur de calcul », apparaît dans le journal La nanotechnologie naturelle.
« Dans les technologies informatiques conventionnelles, nous tenons pour acquis que les modes de stockage et de traitement des données sont compatibles entre eux », explique le chef de projet Albert Keung, co-auteur correspondant d’un article sur ces travaux.
« Mais en réalité, le stockage et le traitement des données sont effectués dans des parties séparées de l’ordinateur, et les ordinateurs modernes sont un réseau de technologies complexes. » Keung est professeur associé de génie chimique et biomoléculaire et Goodnight Distinguished Scholar à NC State.
« L’informatique ADN a été confrontée au défi de savoir comment stocker, récupérer et calculer lorsque les données sont stockées sous forme d’acides nucléiques », explique Keung.
« Pour l’informatique électronique, le fait que tous les composants d’un appareil soient compatibles est l’une des raisons pour lesquelles ces technologies sont attrayantes. Mais, jusqu’à présent, on pensait que si le stockage de données ADN pouvait être utile pour le stockage de données à long terme, il serait difficile, voire impossible, de développer une technologie ADN englobant toute la gamme des opérations trouvées dans les appareils électroniques traditionnels : le stockage et le déplacement de données ; la capacité de lire, d’effacer, de réécrire, de recharger ou de calculer des fichiers de données spécifiques ; et de faire toutes ces choses de manière programmable et répétable.
« Nous avons démontré que ces technologies basées sur l’ADN sont viables, car nous en avons créé une. »
La nouvelle technologie est rendue possible par des techniques récentes qui ont permis la création de matériaux polymères souples aux morphologies uniques.
« Plus précisément, nous avons créé des structures polymères que nous appelons dendricolloïdes : elles commencent à l’échelle microscopique, mais se ramifient les unes des autres de manière hiérarchique pour créer un réseau de fibres à l’échelle nanométrique », explique Orlin Velev, co-auteur correspondant et professeur distingué S. Frank et Doris Culberson d’ingénierie chimique et biomoléculaire à NC State.
« Cette morphologie crée une structure avec une grande surface, ce qui nous permet de déposer l’ADN parmi les nanofibrilles sans sacrifier la densité de données qui rend l’ADN attractif pour le stockage de données en premier lieu. »
« On pourrait stocker l’équivalent d’un millier de données d’ordinateurs portables dans un stockage basé sur l’ADN, de la même taille qu’une gomme à crayon », explique Keung.
« La capacité de distinguer les informations de l’ADN des nanofibres sur lesquelles elles sont stockées nous permet d’effectuer bon nombre des mêmes fonctions que celles que vous pouvez effectuer avec des appareils électroniques », explique Kevin Lin, premier auteur de l’article et ancien doctorant à NC State.
« Nous pouvons copier des informations ADN directement à partir de la surface du matériau sans endommager l’ADN. Nous pouvons également effacer des morceaux ciblés d’ADN puis les réécrire sur la même surface, comme pour supprimer et réécrire des informations stockées sur le disque dur. Cela nous permet essentiellement d’effectuer toute la gamme des fonctions de stockage et de calcul des données ADN. De plus, nous avons découvert que lorsque nous déposons de l’ADN sur le matériau dendricoloïde, le matériau aide à préserver l’ADN. »
« On pourrait dire que l’équipe de Keung fournit l’équivalent de microcircuits, et le matériau dendricolloidal que mon équipe crée fournit le circuit imprimé », explique Velev.
« Notre collaboratrice de NC State, Adriana San Miguel, nous a aidés à intégrer les matériaux dans des canaux microfluidiques qui dirigent le flux d’acides nucléiques et de réactifs, nous permettant de déplacer des données et de lancer des commandes informatiques. Le laboratoire de Winston Timp à Johns Hopkins a apporté son expertise sur le séquençage des nanopores, qui nous aide à lire directement les données dans l’ARN après les avoir copiées à partir de l’ADN à la surface du matériau. Et le laboratoire de James Tuck, également ici à NC State, a développé des algorithmes qui nous permettent de convertir des données en séquences d’acides nucléiques et vice versa tout en contrôlant les erreurs potentielles. »
Les chercheurs ont démontré que la nouvelle technologie de stockage et de calcul des données, qu’ils appellent « moteur de stockage et de calcul de l’ADN primordial », est capable de résoudre des problèmes simples de sudoku et d’échecs. Les tests suggèrent qu’elle pourrait stocker des données de manière sécurisée pendant des milliers d’années dans des espaces disponibles sur le marché sans dégrader l’ADN qui stocke les informations.
« De plus, le matériau hôte dendrocolloïdal lui-même est relativement peu coûteux et facile à fabriquer », explique Velev.
« Le stockage et le calcul de données moléculaires suscitent beaucoup d’enthousiasme, mais il existe des questions importantes sur la faisabilité de ce domaine », explique Keung. « Nous avons examiné l’histoire de l’informatique et la manière dont la création de l’ENIAC a inspiré ce domaine. Nous voulions développer quelque chose qui inspirerait le domaine de l’informatique moléculaire. Et nous espérons que ce que nous avons fait ici est un pas dans cette direction. »
L’article a été co-écrit par Kevin Volkel et Andrew Clark, anciens étudiants en doctorat à NC State ; Cyrus Cao et Rachel Polak, étudiants en doctorat à NC State ; Adriana San Miguel, professeure associée de génie chimique et biomoléculaire à NC State ; James Tuck, professeur de génie électrique et informatique à NC State ; Winston Timp, professeur associé de génie biomédical à l’université Johns Hopkins ; et Paul Hook, chercheur postdoctoral à Johns Hopkins.
Plus d’informations :
Un magasin d’ADN primordial et un moteur de calcul, La nanotechnologie naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41565-024-01771-6. www.nature.com/articles/s41565-024-01771-6