År 2020, varje person i världen producerar cirka 1,7 megabyte data varje sekund. På bara ett enda år, det motsvarar 418 zettabyte – eller 418 miljarder en-terabyte hårddiskar.

Vi lagrar för närvarande data som ettor och nollor i magnetiska eller optiska system med begränsad livslängd. Under tiden, datacenter förbrukar enorma mängder energi och producerar enorma koldioxidavtryck. Enkelt uttryckt, sättet vi lagrar vår ständigt växande mängd data är ohållbart.

DNA som datalagring

Men det finns ett alternativ:att lagra data i biologiska molekyler som DNA. I naturen, DNA kodar, butiker, och gör läsbara enorma mängder genetisk information i små utrymmen (celler, bakterie, virus) – och gör det med en hög grad av säkerhet och reproducerbarhet.

Jämfört med konventionella datalagringsenheter, DNA är mer uthålligt och kompakt, kan lagra tio gånger mer data, har 1000 gånger högre lagringstäthet, och förbrukar 100 miljoner gånger mindre energi för att lagra samma mängd data som en enhet. Också, en DNA-baserad datalagringsenhet skulle vara liten:ett års global data kan lagras i bara fyra gram DNA.

Men att lagra data med DNA innebär också orimliga kostnader, smärtsamt långsamma skriv- och läsmekanismer, och är mottaglig för felläsningar.

Nanoporer till undsättning

Ett sätt är att använda hål i nanostorlek som kallas nanoporer, vilka bakterier ofta slår in i andra celler för att förstöra dem. De attackerande bakterierna använder specialiserade proteiner som kallas "porbildande toxiner" som fäster på cellens membran och bildar en rörliknande kanal genom det.

Inom bioteknik, nanoporer används för att "avkänna" biomolekyler, såsom DNA eller RNA. Molekylen passerar genom nanoporen som en sträng, styrs av spänning, och dess olika komponenter producerar distinkta elektriska signaler (en "jonisk signatur") som kan användas för att identifiera dem. Och på grund av deras höga noggrannhet, nanoporer har också prövats för att läsa DNA-kodad information.

Ändå, nanoporer begränsas fortfarande av lågupplösta avläsningar - ett verkligt problem om nanoporesystem någonsin ska användas för att lagra och läsa data.

Aerolysin nanoporer

Potentialen hos nanoporer inspirerade forskare vid EPFL:s School of Life Sciences att utforska nanoporer som produceras av det porbildande toxinet aerolysin, tillverkad av bakterien Aeromonas hydrophila. Leds av Matteo Dal Peraro vid EPFL:s School of Life Sciences, forskarna visar att aerolysin-nanoporer kan användas för att avkoda binär information.

Under 2019, Dal Peraros labb visade att nanoporer kan användas för att känna av mer komplexa molekyler, som proteiner. I den här studien, publiceras i Vetenskapens framsteg , teamet slog sig samman med Alexandra Radenovics labb (EPFL School of Engineering) och anpassade aerolysin för att upptäcka molekyler skräddarsydda för att kunna läsas av denna por. Tekniken har lämnats in som ett patent.

Molekylerna, känd som digitala polymerer, utvecklades i Jean-François Lutz labb vid Institut Charles Sadron vid CNRS i Strasbourg. De är en kombination av DNA-nukleotider och icke-biologiska monomerer utformade för att passera genom aerolysin-nanoporer och ge ut en elektrisk signal som kan läsas ut som en bit av data.

Forskarna använde aerolysinmutanter för att systematiskt designa nanoporer för att läsa ut signaler från deras informationspolymerer. De optimerade hastigheten för polymererna som passerar genom nanoporen så att den kan ge ut en unikt identifierbar signal. "Men till skillnad från konventionella nanoporavläsningar, denna signal levererade digital läsning med enbitsupplösning, och utan att kompromissa med informationstätheten, " säger Dr Chan Cao, tidningens första författare.

För att avkoda utläsningssignalerna använde teamet djupinlärning, vilket gjorde att de kunde avkoda upp till 4 bitar av information från polymererna med hög noggrannhet. De använde också metoden för att blint identifiera blandningar av polymerer och bestämma deras relativa koncentration.

Systemet är betydligt billigare än att använda DNA för datalagring, och ger längre uthållighet. Dessutom, den är "miniatyriserbar, " vilket betyder att det lätt kan integreras i bärbara datalagringsenheter.

"Det finns flera förbättringar vi arbetar med för att omvandla denna bioinspirerade plattform till en verklig produkt för datalagring och hämtning, " säger Matteo Dal Peraro. "Men detta arbete visar tydligt att en biologisk nanopor kan läsa hybrid DNA-polymeranalyter. Vi är glada eftersom detta öppnar nya lovande perspektiv för polymerbaserade minnen, med viktiga fördelar för ultrahög densitet, långtidslagring och enhetsportabilitet."