En 2020, cada persona en el mundo produce alrededor de 1,7 megabytes de datos por segundo. En solo un año eso equivale a 418 zettabytes, o 418 mil millones de discos duros de un terabyte.

Actualmente almacenamos datos como unos y ceros en sistemas magnéticos u ópticos con una vida útil limitada. Mientras tanto, Los centros de datos consumen enormes cantidades de energía y producen una enorme huella de carbono. Simplemente pon, la forma en que almacenamos nuestro creciente volumen de datos es insostenible.

ADN como almacenamiento de datos

Pero hay una alternativa:almacenar datos en moléculas biológicas como el ADN. En naturaleza, El ADN codifica, historias, y hace legibles cantidades masivas de información genética en espacios diminutos (células, bacterias virus), y lo hace con un alto grado de seguridad y reproducibilidad.

En comparación con los dispositivos de almacenamiento de datos convencionales, El ADN es más duradero y compactado, puede retener diez veces más datos, tiene una densidad de almacenamiento 1000 veces mayor, y consume 100 millones de veces menos energía para almacenar la misma cantidad de datos que una unidad. También, un dispositivo de almacenamiento de datos basado en ADN sería diminuto:el valor de un año de datos globales se puede almacenar en solo cuatro gramos de ADN.

Pero almacenar datos con ADN también implica costos exorbitantes, mecanismos de lectura y escritura dolorosamente lentos, y es susceptible a lecturas erróneas.

Nanoporos al rescate

Una forma es utilizar agujeros de tamaño nanométrico llamados nanoporos, qué bacterias a menudo perforan otras células para destruirlas. Las bacterias atacantes utilizan proteínas especializadas conocidas como "toxinas formadoras de poros" que se adhieren a la membrana de la célula y forman un canal en forma de tubo a través de ella.

En bioingeniería, Los nanoporos se utilizan para "detectar" biomoléculas, como ADN o ARN. La molécula atraviesa el nanoporo como una cuerda, dirigido por voltaje, y sus diferentes componentes producen distintas señales eléctricas (una "firma iónica") que se pueden utilizar para identificarlos. Y debido a su alta precisión, Los nanoporos también se han probado para leer información codificada por ADN.

Sin embargo, Los nanoporos todavía están limitados por lecturas de baja resolución, un problema real si los sistemas de nanoporos se van a utilizar alguna vez para almacenar y leer datos.

Nanoporos de aerolisina

El potencial de los nanoporos inspiró a los científicos de la Escuela de Ciencias de la Vida de la EPFL a explorar los nanoporos producidos por la aerolisina, la toxina formadora de poros. producido por la bacteria Aeromonas hydrophila. Dirigido por Matteo Dal Peraro en la Escuela de Ciencias de la Vida de EPFL, los investigadores muestran que los nanoporos de aerolisina se pueden utilizar para decodificar información binaria.

En 2019, El laboratorio de Dal Peraro demostró que los nanoporos se pueden utilizar para detectar moléculas más complejas, como proteínas. En este estudio, publicado en Avances de la ciencia , el equipo unió fuerzas con el laboratorio de Alexandra Radenovic (Escuela de Ingeniería EPFL) y adaptó la aerolisina para detectar moléculas hechas a la medida para ser leídas por este poro. La tecnología ha sido registrada como patente.

Las moléculas, conocidos como polímeros digitales, fueron desarrollados en el laboratorio de Jean-François Lutz en el Institut Charles Sadron del CNRS en Estrasburgo. Son una combinación de nucleótidos de ADN y monómeros no biológicos diseñados para pasar a través de nanoporos de aerolisina y emitir una señal eléctrica que podría leerse como un dato.

Los investigadores utilizaron mutantes de aerolisina para diseñar sistemáticamente nanoporos para leer las señales de sus polímeros informativos. Optimizaron la velocidad de los polímeros que atraviesan el nanoporo para que pueda emitir una señal identificable de forma única. "Pero a diferencia de las lecturas de nanoporos convencionales, esta señal entregó lectura digital con resolución de un solo bit, y sin comprometer la densidad de la información, "dice el Dr. Chan Cao, el primer autor del artículo.

Para decodificar las señales de lectura, el equipo usó aprendizaje profundo, lo que les permitió decodificar hasta 4 bits de información de los polímeros con alta precisión. También utilizaron el enfoque para identificar a ciegas mezclas de polímeros y determinar su concentración relativa.

El sistema es considerablemente más económico que el uso de ADN para el almacenamiento de datos. y ofrece una mayor resistencia. Además, es "miniaturizable, "lo que significa que podría incorporarse fácilmente a dispositivos portátiles de almacenamiento de datos.

"Hay varias mejoras en las que estamos trabajando para transformar esta plataforma de inspiración biológica en un producto real para el almacenamiento y la recuperación de datos, ", dice Matteo Dal Peraro." Pero este trabajo muestra claramente que un nanoporo biológico puede leer analitos híbridos de ADN-polímero. Estamos entusiasmados porque esto abre nuevas perspectivas prometedoras para las memorias basadas en polímeros, con importantes ventajas para densidad ultra alta, almacenamiento a largo plazo y portabilidad del dispositivo ".