L'ADN synthétique, le stockage de données de masse du futur
Les solutions de stockage traditionnelles atteignent leurs limites face à l'augmentation constante du volume de données générées dans le monde. Dans le cadre du projet BIOSYNTH, trois instituts Fraunhofer développent une plateforme de micropuces pour le futur stockage de masse des données à l'aide d'ADN synthétique. Dans cette interview, le Dr Uwe Vogel, coordinateur du projet et directeur du département des micro-écrans et des capteurs à l'Institut Fraunhofer des microsystèmes photoniques IPMS, explique comment les chercheurs prévoient d'élargir l'utilisation de ce système modulaire à haut débit pour la synthèse d'ADN, d'ARN et de peptides à des applications biologiques telles que le dépistage de substances nocives et la mise au point de principes actifs.
Pourquoi la demande de solutions de stockage alternatives est-elle si forte ?
Les instituts d'études de marché estiment que le volume de données générées dans le monde atteindra 284 zettaoctets d'ici à 2027. Mais la capacité de stockage disponible au niveau mondial sur tous les supports de stockage augmente moins vite que le volume total de données. Il existe donc un besoin d'archivage peu encombrant, peu coûteux et efficace en termes de ressources, avec une compression élevée et une faible consommation d'énergie, en particulier pour les données qui doivent être stockées et conservées pendant de longues périodes, mais auxquelles on accède très rarement.
Pourquoi le projet BIOSYNTH s'appuie-t-il sur l'ADN synthétique comme support de stockage ?
La molécule d'hérédité qu'est l'ADN peut stocker un énorme volume d'informations dans un espace très réduit et pendant une longue période. Outre les informations génomiques, l'ADN peut également être utilisé pour sauvegarder des données binaires. Cependant, ce type de stockage de données sur l'ADN n'est pas tiré de la nature, mais synthétisé en laboratoire en inscrivant l'ADN sur des micropuces. Les instituts Fraunhofer qui participent au projet BIOSYNTH considèrent que le stockage biologique de données de masse est très prometteur pour l'archivage à long terme de données économes en ressources et en espace.
Comment l'ADN peut-il être utilisé pour le stockage de données ?
Dans le cas du stockage de données numériques sur la base de l'ADN, les données binaires sont codées dans des brins synthétiques d'ADN. Cette opération s'effectue numériquement. L'ADN se compose de quatre éléments de base : la guanine (G), la thymine (T), la cytosine (C) et l'adénine (A). Ces éléments sont appelés nucléobases. Le code binaire de zéros et de uns est donc traduit en une séquence de bases A, C, G et T, puis transformé en un brin artificiel d'ADN. Cependant, des erreurs peuvent se glisser dans le processus de synthèse ou d'écriture. La surveillance sur la puce et les algorithmes et codes spécifiquement développés nous permettent de tolérer un certain nombre d'erreurs d'écriture et de stocker l'information qui doit être écrite sans aucune erreur.
Comment parvenez-vous à augmenter la densité de stockage ?
Étant donné que la synthèse microbiologique était inefficace et gourmande en ressources dans le passé, et qu'il n'existait pas de technologie à haut débit - en particulier pour les longs segments moléculaires - nous développons une plate-forme basée sur des techniques de production de micropuces qui permettent une réduction spectaculaire des volumes d'échantillons individuels et du nombre de cellules de réacteur miniaturisées par puce, ainsi qu'un contrôle intégré à la puce CMOS qui peut être adressé individuellement à chaque cellule de réacteur.
De quoi se compose la plate-forme à micropuce ?
La plate-forme à micropuce est une combinaison d'électronique de commande intégrée CMOS, de cellules de réaction miniaturisées, de micro-chauffeurs, de points OLED et de photodiodes à l'échelle du micromètre. Elle permet la synthèse thermique des molécules biologiques avec un contrôle optique en aval.
Comment fonctionne la synthèse avec contrôle optique ?
Les micropuces à base de silicium sont équipées de cellules de réaction microscopiques à cet effet. Chaque cellule de réaction fonctionne plus ou moins comme un mini-bioréacteur. Des algorithmes décident lesquelles des cellules de réaction doivent être activées pour générer une certaine molécule. Des signaux de commande transmettent les informations pertinentes. De minuscules éléments chauffants incorporés dans la puce fournissent de la chaleur à chaque cellule de réaction et la réchauffent, favorisant ainsi la synthèse de molécules microbiologiques telles que l'ADN, l'ARN et les peptides. Chaque cellule de réaction est équipée de diodes électroluminescentes organiques (OLED) et de photodétecteurs qui surveillent ce processus. L'OLED fournit une impulsion optique. Pour chaque bioréacteur, une photodiode associée dans l'espace enregistre la réponse indiquant si la réaction s'est déroulée avec succès. Les algorithmes et les codages mis en œuvre permettent une tolérance aux pannes dans le processus de réaction biologique.
À quelles exigences la plate-forme de micropuces devra-t-elle répondre ?
Notre objectif est que notre plate-forme portable et à faible consommation d'énergie remplace les grands systèmes de synthèse actuellement utilisés, qui occupent une pièce entière. Elle permettra le stockage commercial de données biologiques. Avec notre plate-forme à micropuce pour l'écriture de séquences de nucléotides définies par logiciel (ADN, ARN ou peptides), nous espérons atteindre un débit élevé en appliquant des processus de production en série et de haute intégration utilisés en microélectronique - toujours dans l'optique d'une fabrication à faible consommation d'énergie et peu coûteuse.
Pour quelles autres applications la plate-forme de micropuces constitue-t-elle un élément important ?
Nous considérons l'utilisation de l'ADN en tant que stockage de données de masse comme un objectif à long terme. Dans un avenir proche, nous nous pencherons sur des applications dans des domaines tels que la biologie, la biochimie, la technologie environnementale et alimentaire, la bio-informatique et la médecine personnalisée. Par exemple, nous prévoyons d'utiliser les systèmes biologiques ou les molécules produites artificiellement pour détecter précocement, tester et analyser les effets des substances et des polluants provenant de l'environnement ou de l'agriculture sur le corps humain - ou pour les influencer, par exemple en vue d'obtenir des effets thérapeutiques ciblés et adaptés à chaque individu.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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