Papier séminal de Michael Faraday stocké numériquement dans des colorants fluorescents

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Les disques optiques, les clés USB et les disques durs magnétiques ne peuvent stocker des informations numériques que pendant quelques décennies, et leur maintenance a tendance à nécessiter beaucoup d’énergie, ce qui rend ces méthodes moins qu’idéales pour le stockage de données à long terme. Les chercheurs se sont donc penchés sur l’utilisation de molécules comme alternatives, notamment dans le stockage de données ADN. Ces méthodes présentent cependant leurs propres défis, notamment des coûts de synthèse élevés et des taux de lecture et d’écriture lents.

Aujourd’hui, des scientifiques de l’Université Harvard ont découvert comment utiliser des colorants fluorescents comme bits pour un moyen de stockage de données moins cher et plus rapide, selon un nouvel article publié dans la revue ACS Central Science. Les chercheurs ont testé leur méthode en stockant l’un des articles fondateurs du physicien du XIXe siècle Michael Faraday sur l’électromagnétisme et la chimie, ainsi qu’une image JPEG de Faraday.

« Cette méthode pourrait donner accès au stockage de données d’archives à faible coût », a déclaré le co-auteur Amit A. Nagarkar, qui a mené la recherche en tant que boursier postdoctoral dans le laboratoire de Harvard de George Whitesides. « [It] donne accès au stockage de données à long terme à l’aide des technologies commerciales existantes : impression à jet d’encre et microscopie à fluorescence. Nagarkar travaille maintenant pour une start-up qui souhaite commercialiser la méthode.

Il y a de bonnes raisons pour tout l’intérêt d’utiliser l’ADN pour le stockage de données. Comme nous l’avons signalé précédemment, l’ADN a quatre éléments constitutifs chimiques – l’adénine (A), la thymine (T), la guanine (G) et la cytosine (C) – qui constituent un type de code. Les informations peuvent être stockées dans l’ADN en convertissant les données du code binaire en un code base 4 et en lui attribuant l’une des quatre lettres. L’ADN a une densité de données nettement plus élevée que les systèmes de stockage conventionnels. Un seul gramme peut représenter près d’un milliard de téraoctets (1 zettaoctet) de données. Et c’est un support robuste : les données stockées peuvent être conservées pendant de longues périodes, des décennies, voire des siècles.

Le stockage des données ADN a sensiblement progressé ces dernières années, conduisant à quelques rebondissements inventifs sur la méthode de base. Par exemple, il y a deux ans, les scientifiques de Stanford ont réussi à fabriquer une version imprimée en 3D du lapin de Stanford – un modèle de test courant en infographie 3D – qui stockait les instructions d’impression pour reproduire le lapin. Le lapin contient environ 100 kilo-octets de données, grâce à l’ajout de nanobilles contenant de l’ADN au plastique utilisé pour l’imprimer en 3D.

Mais l’utilisation de l’ADN présente également des défis imposants. Par exemple, le stockage et la récupération des données de l’ADN prennent généralement beaucoup de temps, compte tenu de tout le séquençage requis. Et notre capacité à synthétiser l’ADN a encore un long chemin à parcourir avant qu’il ne devienne un support pratique de stockage de données. Ainsi, d’autres scientifiques ont exploré la possibilité d’utiliser des polymères non biologiques pour le stockage de données moléculaires, en décodant (ou en lisant) les informations stockées en séquençant les polymères avec la spectrométrie de masse en tandem. Cependant, la synthèse et la purification des polymères synthétiques sont un processus coûteux, compliqué et long.

Nagarkar affiche de minuscules molécules de colorant utilisées pour stocker des informations.

En 2019, le laboratoire de Whitesides a démontré avec succès le stockage d’informations dans un mélange d’oligopeptides disponibles dans le commerce sur une surface métallique, sans avoir besoin de techniques de synthèse longues et coûteuses. Le laboratoire a utilisé un spectromètre de masse pour distinguer les molécules par leur poids moléculaire afin de lire les informations stockées. Mais il y avait encore quelques problèmes, notamment que les informations ont été détruites lors de la lecture. De plus, le processus de lecture était lent (10 bits par seconde) et la réduction de la taille s’est avérée problématique, car la diminution de la taille du point laser entraînait une augmentation du bruit dans les données.

Alors Nagarkar et al. a décidé d’étudier des molécules qui pourraient être distinguées optiquement plutôt que par le poids moléculaire. Plus précisément, ils ont choisi sept colorants fluorescents disponibles dans le commerce de différentes couleurs. Pour « écrire » les informations, l’équipe a utilisé une imprimante à jet d’encre pour déposer des solutions de colorants fluorescents mélangés sur un substrat époxy contenant certains groupes aminés réactifs. La réaction qui s’ensuit forme des liaisons amide stables, verrouillant efficacement l’information en place.

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