PEPR MoleculArXiv

Contexte

La mémoire de l'humanité repose sur notre capacité à gérer des quantités de données de plus en plus importantes. En 2040, on estime ainsi à plusieurs milliers de zettaoctets (10²¹ octets) la quantité de données qu’il faudra conserver, sur des périodes de temps allant de quelques années à plusieurs siècles. Dans ce contexte, les technologies actuelles de stockage sont unanimement considérées comme insuffisantes pour garantir dans le futur la conservation d’une telle masse de données. Leur stockage et archivage dans des centres de données ne sera pas soutenable, que ce soit en termes de ressources nécessaires pour construire et alimenter les centres de données mais aussi en termes de gestion de l’obsolescence du matériel. L'une des alternatives les plus prometteuses est fournie par un stockage de l'information sous forme d'ADN, à l'instar de ce que réalisent les êtres vivants pour le codage de leur génome. L’ADN fournit en effet un moyen de stockage très stable sur de très longues périodes avec des conditions simples de mise en œuvre. En effet, l'ADN est stable à température ordinaire durant plusieurs millénaires, sans consommation énergétique. Il peut être multiplié ou détruit à volonté. Sa technologie ne deviendra pas obsolète car l’ADN est à la base du vivant.

Dans un contexte international compétitif, le PEPR MoleculArxiv vise à inventer de futurs dispositifs de stockage de données sur support moléculaire, ADN et polymères artificiels, en agissant non seulement sur la parallélisation des dispositifs de synthèse mais surtout en découvrant de nouvelles molécules et technologies d’information pour accélérer la synthèse des supports, leur codage et décodage, et en explorant divers supports moléculaires.

Objectif du PEPR

L’objectif à 5 ans du PEPR est de déployer les recherches et infrastructures nécessaires pour accélérer d’un facteur 100 la vitesse du cycle d’écriture et de lecture d’ADN actuellement possible en réduisant son coût d’un facteur équivalent. Pour arriver à réaliser cet objectif, il est nécessaire de développer des travaux pluridisciplinaires en chimie, informatique, microfluidique, nanotechnologies et biologie pour inventer de nouvelles technologies : nouvelle génération d’enzymes de synthèse et de parallélisation, nouvelle génération de méthodes de compression et d’accès à l’information, nouveaux polymères synthétiques pour le support de l’information. Des applications seront mises en place avec des utilisateurs tels que la Bibliothèque Nationale de France ou encore l’Institut National de l’Audiovisuel dans le cadre de l’archivage de données froides (une image, un texte, une vidéo), du calcul et de l’ingénierie moléculaire.

Projets ciblés

Quatre projets ciblés, d’un budget compris entre 2 et 5 millions d’euros, vont être initiés d’ici 2023.

Le premier concevra des technologies de synthèse d’ADN de nouvelle génération : le développement de nouveaux blocs chimiques spécifiquement conçus pour mieux contrôler la synthèse de l'ADN, la création d'outils enzymatiques dédiés pour manipuler ces blocs de construction, et l'intégration de cette nouvelle biochimie dans un processus microfluidique hautement parallélisé et miniaturisé.

Le deuxième projet ciblé rendra le stockage efficace en étudiant différentes stratégies de compression développées sur mesure pour tenir compte des caractéristiques physico-chimiques impliqués dans l’écriture et la lecture de l'ADN. La question de l’accès aux données stockées (indexation), de la durabilité à long-terme des solutions de codage/décodage, et de l’adaptation du fonctionnement des séquenceurs aux problèmes de décodage de séquences synthétiques seront aussi prises en compte.

Le troisième projet ciblé cherchera à généraliser le support de stockage d’information sur des polymères synthétiques (non-ADN). Bien que ces polymères aient été introduits assez récemment, leur potentiel en termes d’écriture, de lecture et d'effacement est prometteur. Pour les exploiter, il faut cependant augmenter la vitesse d'écriture et la longueur des chaînes synthétisables sur ces supports et élargir et améliorer les méthodes de séquençage pour l'analyse de ces polymères synthétiques.

Enfin, le but du quatrième projet ciblé sera de rendre le stockage moléculaire pratique, sûr et exploitable. Le stockage à froid de l'ADN sera exploré avec des partenaires institutionnels, et des outils seront développés pour manipuler les bases de données ADN. Un des objectifs est d'archiver et de récupérer des archives d'intérêt historique dans des conditions réalistes. L'utilisation du filigrane ADN sera également explorée pour retracer la contamination des échantillons dans les laboratoires, ou la microscopie ADN pour "photocopier" la surface des disques optiques.

En plus des quatre projets ciblés, des appels à projets ou manifestation d'intérêt seront lancés afin de toucher un plus grand nombre de laboratoires français susceptibles d'être intéressés par le stockage de données sur les polymères ADN ou non-ADN.

Chiffres-clés

Le PEPR soutiendra des projets de recherches interdisciplinaires et le recrutement de jeunes chercheurs, sur appel ouvert. Il permettra aussi de financer la montée en TRL des innovations scientifiques soutenues par des preuves de concept d’applications à impact. Enfin, le PEPR se positionnera dans l’animation des communautés françaises et européennes.

L’objectif de ce PEPR est donc de positionner l’écosystème de recherche académique (informatique, chimie, biologie, nanotechnologies, microfluidique) et industriel français comme un acteur incontournable du stockage sur polymère (ADN et non-ADN) à l’échelle internationale.