Em 2020, cada pessoa no mundo está produzindo cerca de 1,7 megabytes de dados a cada segundo. Em apenas um ano, isso equivale a 418 zetabytes - ou 418 bilhões de discos rígidos de um terabyte.

Atualmente, armazenamos dados como uns e zeros em sistemas magnéticos ou ópticos com vida útil limitada. Enquanto isso, os data centers consomem grandes quantidades de energia e produzem enormes pegadas de carbono. Simplificando, a maneira como armazenamos nosso volume cada vez maior de dados é insustentável.

DNA como armazenamento de dados

Mas existe uma alternativa:armazenar dados em moléculas biológicas como o DNA. Na natureza, DNA codifica, lojas, e torna legíveis grandes quantidades de informação genética em espaços minúsculos (células, bactérias, vírus) - e o faz com alto grau de segurança e reprodutibilidade.

Comparado aos dispositivos convencionais de armazenamento de dados, O DNA é mais duradouro e compacto, pode reter dez vezes mais dados, tem densidade de armazenamento 1000 vezes maior, e consome 100 milhões de vezes menos energia para armazenar a mesma quantidade de dados que uma unidade. Também, um dispositivo de armazenamento de dados baseado em DNA seria minúsculo:um ano de dados globais pode ser armazenado em apenas quatro gramas de DNA.

Mas armazenar dados com DNA também envolve custos exorbitantes, mecanismos dolorosamente lentos de escrita e leitura, e é suscetível a erros de leitura.

Nanoporos para o resgate

Uma maneira é usar buracos de tamanho nano chamados nanoporos, que as bactérias costumam penetrar em outras células para destruí-las. As bactérias atacantes usam proteínas especializadas conhecidas como "toxinas formadoras de poros" que se prendem à membrana da célula e formam um canal em forma de tubo através dela.

Na bioengenharia, nanoporos são usados ​​para "detectar" biomoléculas, como DNA ou RNA. A molécula passa pelo nanopore como uma corda, dirigido por voltagem, e seus diferentes componentes produzem sinais elétricos distintos (uma "assinatura iônica") que podem ser usados ​​para identificá-los. E por causa de sua alta precisão, nanoporos também foram testados para ler informações codificadas por DNA.

Apesar disso, os nanoporos ainda são limitados por leituras de baixa resolução - um problema real se os sistemas nanoporos forem usados ​​para armazenar e ler dados.

Nanoporos de aerolisina

O potencial dos nanoporos inspirou cientistas da Escola de Ciências da Vida da EPFL a explorar nanoporos produzidos pela toxina formadora de poros aerolisina, feito pela bactéria Aeromonas hydrophila. Liderado por Matteo Dal Peraro na Escola de Ciências da Vida da EPFL, os pesquisadores mostram que os nanoporos de aerolisina podem ser usados ​​para decodificar informações binárias.

Em 2019, O laboratório de Dal Peraro mostrou que os nanoporos podem ser usados ​​para detectar moléculas mais complexas, como proteínas. Neste estudo, publicado em Avanços da Ciência , a equipe juntou forças com o laboratório de Alexandra Radenovic (Escola de Engenharia da EPFL) e adaptou a aerolisina para detectar moléculas feitas sob medida para serem lidas precisamente por esse poro. A tecnologia foi registrada como uma patente.

As moléculas, conhecidos como polímeros digitais, foram desenvolvidos no laboratório de Jean-François Lutz no Institut Charles Sadron do CNRS em Estrasburgo. Eles são uma combinação de nucleotídeos de DNA e monômeros não biológicos projetados para atravessar nanoporos de aerolisina e emitir um sinal elétrico que poderia ser lido como um bit de dados.

Os pesquisadores usaram mutantes de aerolisina para projetar sistematicamente nanoporos para a leitura de sinais de seus polímeros informativos. Eles otimizaram a velocidade dos polímeros que passam pelo nanopore para que ele possa emitir um sinal identificável com exclusividade. "Mas, ao contrário das leituras nanopore convencionais, este sinal entregou leitura digital com resolução de bit único, e sem comprometer a densidade da informação, "diz o Dr. Chan Cao, o primeiro autor do artigo.

Para decodificar os sinais de leitura, a equipe usou aprendizado profundo, o que lhes permitiu decodificar até 4 bits de informação dos polímeros com alta precisão. Eles também usaram a abordagem para identificar às cegas misturas de polímeros e determinar sua concentração relativa.

O sistema é consideravelmente mais barato do que usar DNA para armazenamento de dados, e oferece maior durabilidade. Além disso, é "miniaturizável, "o que significa que pode ser facilmente incorporado em dispositivos portáteis de armazenamento de dados.

"Existem várias melhorias nas quais estamos trabalhando para transformar esta plataforma bioinspirada em um produto real para armazenamento e recuperação de dados, "diz Matteo Dal Peraro." Mas este trabalho mostra claramente que um nanoporo biológico pode ler analitos de polímero de DNA híbrido. Estamos entusiasmados, pois isso abre novas perspectivas promissoras para memórias baseadas em polímeros, com vantagens importantes para densidade ultra-alta, armazenamento de longo prazo e portabilidade do dispositivo. "