Des données dans l’ADN : L’histoire de l’humanité tiendra dans une balle de ping-pong

Un des contes de fées modernes que les parents ou peut-être les nourrices robotiques raconteront aux plus jeunes membres des générations technologiques plus avancées que celle d’aujourd’hui pourrait commencer ainsi : ‘Il était une fois, il y avait des centres de données…’ Selon les résultats des recherches actuellement menées par des scientifiques, d’énormes armoires remplies d’appareils pleins de câbles dans des pièces bien protégées et climatisées qui cachent des milliards de grandes données seront remplacées par – l’ADN – une nouvelle solution technologique de pointe pour le stockage de données qui peut archiver une quantité extraordinairement grande d’informations dans un volume inimaginablement petit.

Ce n’est pas de la science-fiction. La technologie de stockage dans l’ADN existe déjà, mais pour qu’elle soit durable et largement applicable, les scientifiques doivent surmonter plusieurs barrières technologiques dans l’intégration de différentes technologies dans ce processus. Bien que nous considérions l’ADN comme une forme de stockage d’informations génomiques, les scientifiques l’explorent comme une plateforme pour stocker d’énormes quantités de données numériques.

Archive dans une graine de pavot

Dans un monde débordant de données, découvrir où et comment les stocker efficacement et à moindre coût devient un problème de plus en plus significatif chaque jour. Les grandes données sont stockées dans le cloud – dans des centres de données numériques dans d’énormes entrepôts qui consomment de très grandes quantités d’électricité pour climatiser ces pièces. La construction, l’alimentation et l’entretien des centres de données sont également très coûteux, et il est supposé qu’ils auront du mal à rester durables à mesure que le besoin de stockage de données augmente rapidement.

Stocker des données dans l’ADN est une découverte révolutionnaire qui pourrait transformer un volume de la taille d’une graine de pavot en une archive d’une capacité sans précédent. Bien que ce modèle soit actuellement très coûteux et encore en cours de recherche, les scientifiques croient qu’il sera disponible dans vingt ans, et les données stockées de cette manière dureront mille ans ou plus.

Que ce ne soit pas juste une autre campagne promotionnelle par laquelle les scientifiques entendent lever des fonds pour des recherches non fondées est démontré par l’exemple de Dina Zielinski, une scientifique senior en génomique humaine à l’Institut national de la santé et de la recherche médicale français à Paris, qui a stocké une représentation numérique d’un musée dans l’ADN. Zielinski croit que le petit film placé au fond d’un flacon durera ‘des décennies, peut-être même des centaines d’années.’

Conversion à l’alphabet de l’ADN

La recherche sur le stockage de données numériques dans des brins d’ADN a fleuri au cours de la dernière décennie, et les scientifiques ont déjà encodé des films, des livres et des systèmes d’exploitation informatiques dans l’ADN. Netflix l’a même utilisé pour stocker un épisode de sa série thriller ‘Biohackers’ de 2020. Les informations dans l’ADN, affirment les scientifiques, sont une forme de stockage compacte, durable et de longue durée qui pourrait remplacer de nombreux modèles de médias numériques disponibles mais peu fiables qui cessent parfois de fonctionner et consomment d’énormes quantités d’énergie pour le stockage, donc archiver des informations dans des molécules d’ADN, bien que l’une des solutions les plus inhabituelles, pourrait s’avérer être la meilleure.

Les données numériques sont stockées en les convertissant en alphabet de l’ADN. L’ADN est composé de quatre molécules nucléotidiques ou bases : adénine (A), cytosine (C), guanine (G) et thymine (T), liées ensemble en divers segments dans une longue chaîne. En synthétisant ces molécules, en les créant à partir de zéro, les scientifiques ont découvert qu’ils pouvaient spécifier ou écrire de longues séquences des lettres A, C, G et T et lire ces séquences. Le processus est analogue à la façon dont un ordinateur stocke des informations binaires. De là, il a été un court pas conceptuel pour encoder un fichier binaire d’ordinateur dans une molécule.

Trop lent à écrire

Des études montrent que l’ADN, correctement encapsulé dans du sel, reste stable à température ambiante pendant des décennies, et l’enregistrement pourrait durer beaucoup plus longtemps dans un environnement contrôlé d’un centre de données. De plus, l’ADN ne nécessite pas d’entretien, et les fichiers qui y sont stockés peuvent être facilement copiés, permettant d’archiver une quantité incommensurable d’informations dans un volume inimaginablement petit.

Par exemple, le monde créera environ 33 zettaoctets de données d’ici 2025 – ce qui est le nombre 3,3 suivi de 22 zéros. Métaphoriquement parlant, en stockant dans l’ADN, toutes ces données pourraient tenir dans une balle de ping-pong sans la remplir à ras bord. Par exemple, en utilisant ce modèle de stockage, toutes les données de Meta, l’ancien Facebook, pourraient être stockées dans seulement la moitié d’une graine de pavot.

La méthode a prouvé son efficacité, mais la lecture et l’écriture de fichiers encodés dans l’ADN prennent actuellement beaucoup de temps – ajouter une base d’ADN prend environ une seconde. Écrire un fichier d’archive à cette vitesse pourrait prendre des décennies, mais les scientifiques développent des méthodes plus rapides, y compris des actions parallèles massives qui ‘écrivent’ sur plusieurs molécules à la fois. Le gouvernement américain s’est également engagé à résoudre le problème du stockage de données avec le programme de stockage d’informations moléculaires ‘MIST’, lancé en 2019, visant à trouver une alternative aux centres de données d’aujourd’hui.

Pourquoi en avons-nous besoin ?

Mais avons-nous ou les générations futures besoin de toutes ces données qui s’accumulent chaque jour, et doivent-elles devenir immortelles ? Oui, et elles devraient être stockées de manière à pouvoir survivre à une collision avec n’importe quel cavalier de l’Apocalypse que les futuristes catastrophiques effraient le monde.

– La science génère une quantité incroyablement grande de données ; plus il y en a, mieux c’est. Par exemple, les radiotélescopes et les accélérateurs de particules comme le Grand collisionneur de hadrons (LHC) à l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) créent une pile de données que les scientifiques souhaitent conserver. Le LHC produit 90 pétaoctets (90 millions de gigaoctets, notez-le) par an – dit Latchesar Ionkov, un informaticien travaillant sur le stockage d’ADN au laboratoire national de Los Alamos aux États-Unis, citant juste une des importantes sources de données qui doivent être préservées. Mark Bathe, professeur d’ingénierie biologique au Massachusetts Institute of Technology et co-fondateur de la startup Cache DNA, souligne que les menaces mondiales auxquelles l’humanité est confrontée nous obligent à préserver les informations créées par les humains, telles que l’art et la science, ainsi que l’ADN de tous les êtres vivants sur la planète.

– Si la vie devait être recréée ici ou d’une manière ou d’une autre transférée sur d’autres planètes ou entrelacée avec elles, il y aurait des enregistrements de ce que nous avons fait et de ce que nous avions. La nature utilise l’ADN depuis des millénaires pour stocker des informations sous forme de génomes, qui existent depuis des milliards d’années, et sur lesquelles on peut compter. Tant que c’est le support fondamental pour stocker les informations de l’espèce humaine, ce sera quelque chose que nous saurons comment gérer – dit Bathe.

Fragilité protégée

De nombreux chercheurs dans le stockage de données ADN croient que c’est le support parfait pour un stockage répandu et à long terme. Parce que la demi-vie de l’ADN, le temps qu’il faut pour réduire de moitié, dure environ cinq cents ans dans un fossile bien préservé, ce qui signifie que l’ADN cesserait d’être lisible seulement après environ un million et demi d’années. Cependant, Olgica Milenković, professeur d’ingénierie électrique et d’informatique à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, avertit que l’ADN est incroyablement fragile et peut être détruit de nombreuses manières car il est endommagé par l’humidité, l’acide et les radiations.

Néanmoins, il peut être protégé en l’encapsulant dans d’autres matériaux, tels que des billes de verre, imitant la façon dont le matériel génétique est protégé dans les fossiles anciens. Le scientifique Robert Grass à l’ETH Zurich et son équipe ont montré que les billes de verre protègent l’ADN des produits chimiques et de la chaleur, et une protection supplémentaire pourrait être fournie en le stockant dans un environnement sécurisé. Les données cruciales pour l’humanité, stockées dans l’ADN encapsulé dans un coffre de glace, pourraient durer éternellement.

Un autre énorme avantage de l’ADN est que le stockage d’informations sur celui-ci est incroyablement dense, incomparable à tout appareil fabriqué par l’homme. Il est également peu probable que ce type de stockage devienne jamais obsolète, contrairement à d’autres médias de stockage.

Bien que l’ADN ait un potentiel énorme en tant que plateforme de stockage de données à l’avenir, des problèmes tels que les coûts élevés, des mécanismes d’écriture et de lecture très lents, et la sensibilité aux mutations ou aux erreurs doivent être résolus. En effet, ce type de stockage de données est beaucoup plus coûteux que le stockage sur des serveurs ou des disques durs. Pour que ce modèle soit rentable, les coûts de stockage de données dans l’ADN devraient être réduits d’environ un million de fois. Les scientifiques travaillent déjà là-dessus, visant à augmenter le nombre de molécules d’ADN qui peuvent être écrites en même temps, ainsi qu’à accélérer leur lecture.