Bakterielle nanoporer åbner fremtiden for datalagring

I 2020, hver person i verden producerer omkring 1,7 megabyte data hvert sekund. På blot et enkelt år, det svarer til 418 zettabyte - eller 418 milliarder en-terabyte harddiske.

Vi gemmer i øjeblikket data som etaller og nuller i magnetiske eller optiske systemer med begrænset levetid. I mellemtiden datacentre forbruger enorme mængder energi og producerer enorme CO2-fodaftryk. Kort fortalt, den måde, vi opbevarer vores stadigt voksende mængde data på, er uholdbar.

DNA som datalagring

Men der er et alternativ:lagring af data i biologiske molekyler såsom DNA. I naturen, DNA koder, butikker, og gør læsbare enorme mængder genetisk information i små rum (celler, bakterie, vira) – og gør det med en høj grad af sikkerhed og reproducerbarhed.

Sammenlignet med konventionelle datalagringsenheder, DNA er mere holdbart og komprimeret, kan opbevare ti gange mere data, har 1000 gange højere lagertæthed, og bruger 100 millioner gange mindre energi til at lagre den samme mængde data som et drev. Også, en DNA-baseret datalagringsenhed ville være lille:Et års globale data kan lagres i kun fire gram DNA.

Men lagring af data med DNA involverer også ublu omkostninger, smertefuldt langsomme skrive- og læsemekanismer, og er modtagelig for fejllæsninger.

Nanoporer til undsætning

En måde er at bruge huller i nanostørrelse kaldet nanoporer, som bakterier ofte slår ind i andre celler for at ødelægge dem. De angribende bakterier bruger specialiserede proteiner kendt som "poredannende toksiner", som låser sig fast på cellens membran og danner en rørlignende kanal gennem den.

I bioteknik, nanoporer bruges til at "sanse" biomolekyler, såsom DNA eller RNA. Molekylet passerer gennem nanoporen som en streng, styret af spænding, og dets forskellige komponenter producerer forskellige elektriske signaler (en "ionisk signatur"), som kan bruges til at identificere dem. Og på grund af deres høje nøjagtighed, nanoporer er også blevet afprøvet til at læse DNA-kodet information.

Ikke desto mindre, nanoporer er stadig begrænset af lavopløsningsudlæsninger - et reelt problem, hvis nanopore-systemer nogensinde skal bruges til lagring og læsning af data.

Aerolysin nanoporer

Potentialet ved nanoporer inspirerede forskere ved EPFL's School of Life Sciences til at udforske nanoporer produceret af det poredannende toksin aerolysin, lavet af bakterien Aeromonas hydrophila. Ledet af Matteo Dal Peraro på EPFL's School of Life Sciences, forskerne viser, at aerolysin-nanoporer kan bruges til at afkode binær information.

I 2019, Dal Peraros laboratorium viste, at nanoporer kan bruges til at registrere mere komplekse molekyler, som proteiner. I dette studie, udgivet i Videnskabens fremskridt , holdet gik sammen med laboratoriet hos Alexandra Radenovic (EPFL School of Engineering) og tilpassede aerolysin til at detektere molekyler, der er skræddersyet til netop at blive læst af denne pore. Teknologien er indgivet som patent.

Molekylerne, kendt som digitale polymerer, blev udviklet i Jean-François Lutz's laboratorium ved Institut Charles Sadron fra CNRS i Strasbourg. De er en kombination af DNA-nukleotider og ikke-biologiske monomerer designet til at passere gennem aerolysin-nanoporer og afgive et elektrisk signal, der kunne læses ud som en smule data.

Forskerne brugte aerolysinmutanter til systematisk at designe nanoporer til at udlæse signaler fra deres informative polymerer. De optimerede hastigheden af ​​polymererne, der passerer gennem nanoporen, så den kan give et unikt identificerbart signal. "Men i modsætning til konventionelle nanopore-udlæsninger, dette signal leverede digital læsning med enkelt-bit opløsning, og uden at kompromittere informationstætheden, " siger Dr. Chan Cao, avisens første forfatter.

For at afkode udlæsningssignalerne brugte teamet deep learning, hvilket gjorde det muligt for dem at afkode op til 4 bits information fra polymererne med høj nøjagtighed. De brugte også tilgangen til blindt at identificere blandinger af polymerer og bestemme deres relative koncentration.

Systemet er betydeligt billigere end at bruge DNA til datalagring, og giver længere udholdenhed. Ud over, det er "miniaturiserbart, " hvilket betyder, at det nemt kunne inkorporeres i bærbare datalagringsenheder.

"Der er adskillige forbedringer, vi arbejder på for at transformere denne bio-inspirerede platform til et faktisk produkt til datalagring og -hentning, " siger Matteo Dal Peraro. "Men dette arbejde viser tydeligt, at en biologisk nanopore kan læse hybrid DNA-polymer analytter. Vi er begejstrede, da dette åbner op for nye lovende perspektiver for polymerbaserede erindringer, med vigtige fordele for ultrahøj tæthed, langtidslagring og enhedsportabilitet."