Bacteriële nanoporiën openen de toekomst van gegevensopslag

In 2020 produceert elke persoon in de wereld ongeveer 1,7 megabyte aan gegevens per seconde. In slechts één jaar tijd komt dat neer op 418 zettabytes – of 418 miljard harde schijven van één terabyte.

We slaan gegevens momenteel op als enen en nullen in magnetische of optische systemen met een beperkte levensduur. Ondertussen verbruiken datacenters enorme hoeveelheden energie en produceren ze een enorme koolstofvoetafdruk. Simpel gezegd: de manier waarop we ons steeds groter wordende datavolume opslaan, is onhoudbaar.

DNA als gegevensopslag

Maar er is een alternatief: data opslaan in biologische moleculen zoals DNA. In de natuur codeert, slaat DNA op en maakt leesbare enorme hoeveelheden genetische informatie in kleine ruimtes (cellen, bacteriën, virussen) – en dit met een hoge mate van veiligheid en reproduceerbaarheid.

In vergelijking met conventionele apparaten voor gegevensopslag is DNA duurzamer en compacter, kan het tien keer meer gegevens opslaan, heeft het een 1000-voudig hogere opslagdichtheid en verbruikt het 100 miljoen keer minder energie om dezelfde hoeveelheid gegevens op te slaan als een schijf. Ook zou een op DNA gebaseerd gegevensopslagapparaat klein zijn: de wereldwijde gegevens van een jaar kunnen worden opgeslagen in slechts vier gram DNA.

Maar het opslaan van gegevens met DNA brengt ook exorbitante kosten, pijnlijk trage schrijf- en leesmechanismen met zich mee en is vatbaar voor verkeerde aflezingen.

Nanoporiën schieten te hulp

Eén manier is om gaatjes van nanogrootte te gebruiken, nanoporiën genaamd, die bacteriën vaak in andere cellen slaan om ze te vernietigen. De aanvallende bacteriën gebruiken gespecialiseerde eiwitten die bekend staan ​​als “porievormende gifstoffen” die zich op het celmembraan hechten en er een buisachtig kanaal doorheen vormen.

Bij biotechniek worden nanoporiën gebruikt voor het “detecteren” van biomoleculen, zoals DNA of RNA. Het molecuul passeert de nanoporie als een string, gestuurd door spanning, en zijn verschillende componenten produceren verschillende elektrische signalen (een “ionische handtekening”) die kunnen worden gebruikt om ze te identificeren. En vanwege hun hoge nauwkeurigheid zijn nanoporiën ook uitgeprobeerd voor het lezen van DNA-gecodeerde informatie.

Desalniettemin worden nanoporiën nog steeds beperkt door uitlezingen met een lage resolutie – een reëel probleem als nanoporiënsystemen ooit worden gebruikt voor het opslaan en lezen van gegevens.

Aerolysin-nanoporiën

Het potentieel van nanoporiën inspireerde wetenschappers van EPFL’s School of Life Sciences om nanoporiën te onderzoeken die worden geproduceerd door het porievormende toxine aerolysine, gemaakt door de bacterie Aeromonas hydrophila. Onder leiding van Matteo Dal Peraro aan de School of Life Sciences van EPFL, laten de onderzoekers zien dat aerolysine-nanoporiën kunnen worden gebruikt voor het decoderen van binaire informatie.

In 2019 toonde het laboratorium van Dal Peraro aan dat nanoporiën kunnen worden gebruikt voor het detecteren van complexere moleculen, zoals eiwitten. In deze studie, gepubliceerd in Science Advancesheeft het team de krachten gebundeld met het laboratorium van Alexandra Radenovic (EPFL School of Engineering) en aerolysine aangepast om op maat gemaakte moleculen te detecteren die precies zijn gemaakt om door deze porie te worden gelezen. De technologie is als patent aangevraagd.

De moleculen, bekend als digitale polymeren, werden ontwikkeld in het laboratorium van Jean-François Lutz aan het Institut Charles Sadron van het CNRS in Straatsburg. Ze zijn een combinatie van DNA-nucleotiden en niet-biologische monomeren die zijn ontworpen om door aerolysine-nanoporiën te gaan en een elektrisch signaal af te geven dat kan worden uitgelezen als een stukje data.

De onderzoekers gebruikten aerolysin-mutanten om systematisch nanoporiën te ontwerpen voor het uitlezen van signalen van hun informatieve polymeren. Ze optimaliseerden de snelheid van de polymeren die door de nanoporie gaan, zodat deze een uniek identificeerbaar signaal kunnen afgeven. “Maar in tegenstelling tot conventionele nanoporie-uitlezingen, leverde dit signaal digitale uitlezingen met een resolutie van één bit, en zonder de informatiedichtheid in gevaar te brengen”, zegt Dr. Chan Cao, de eerste auteur van het artikel.

Om de uitleessignalen te decoderen, gebruikte het team deep learning, waardoor ze tot 4 bits informatie van de polymeren met hoge nauwkeurigheid konden decoderen. Ze gebruikten de aanpak ook om blindelings mengsels van polymeren te identificeren en hun relatieve concentratie te bepalen.

Het systeem is aanzienlijk goedkoper dan het gebruik van DNA voor gegevensopslag en biedt een langere levensduur. Bovendien is het “miniaturiseerbaar”, wat betekent dat het gemakkelijk kan worden opgenomen in draagbare gegevensopslagapparaten.

“Er zijn verschillende verbeteringen waar we aan werken om dit bio-geïnspireerde platform om te vormen tot een echt product voor het opslaan en ophalen van gegevens”, zegt Matteo Dal Peraro. “Maar dit werk toont duidelijk aan dat een biologische nanoporie hybride DNA-polymeeranalyses kan lezen. We zijn opgewonden omdat dit nieuwe veelbelovende perspectieven opent voor op polymeer gebaseerde herinneringen, met belangrijke voordelen voor ultrahoge dichtheid, langdurige opslag en draagbaarheid van apparaten.”