# Stockage d'information sur ADN

Dominique Lavenier, Marc Antonini

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Dominique Lavenier, Marc Antonini. Stockage d'information sur ADN. Le calcul à découvert, CNRS Editions, 2025, 978-2-271-15373-9. hal-05376118

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## 4. Stockage d'information sur ADN

Dominique Lavenier et Marc Antonini

IRISA, CNRS, Rennes

I3S, CNRS, Sophia Antipolis

L'explosion des données est l'un des plus grands défis de l'évolution numérique. Depuis 2010, d'après l'IDC (International Data Corporation), la production de données croit d'environ 23 % chaque année, conduisant, au niveau mondial, à un volume de 180 zettaoctets (180 x 10²¹ octets) d'ici 2025 (figure 1), l'équivalent de 18 milliards de disques durs de 10 téraoctets. La demande de stockage augmente au même rythme, mais peine à répondre aux besoins avec les technologies actuelles (disques durs, disques SSD, bandes magnétiques) qui ont une durée de vie limitée à 10 ou 20 ans et qui doivent être fréquemment remplacés pour garantir la fiabilité des données. C'est un processus coûteux en termes d'argent, de matières premières et d'énergie, d'autant plus

que 80 % des données sont rarement consultées (données « froides »), mais méritent d'être archivées à long terme pour la mémoire de l'humanité (photographies, films, code informatique, connaissances scientifiques, etc.). Dans ce contexte, l'ADN est un support de stockage prometteur pour conserver l'information sur le long terme, en raison de son faible encombrement et de sa longévité. La molécule d'ADN est, en effet, un polymère extrêmement compact. Un gramme d'ADN peut théoriquement encoder une information représentant plus de 200 pétaoctets (200 x 10¹⁵ octets, ou 200 000 disques durs). De plus, conservée dans de bonnes conditions, à l'abri de l'humidité et à température ambiante, sa durée de vie dépasse plusieurs siècles. En plus de ces deux grandes propriétés,

l'ADN connaît une certaine pérennité technologique : tant que l'humanité existera, il y aura toujours des lecteurs d'ADN qui évolueront vers des appareils plus rapides, plus fiables et moins onéreux. Enfin, le CT0 (Total Cost of Ownership, ou coût total de possession) est également un critère important : une fois que les molécules d'ADN sont créées, contrairement aux technologies actuelles, il n'est plus nécessaire de régénérer périodiquement le support contenant l'information.

### Principe du stockage

Dans ce qui suit, les molécules d'ADN sont utilisées comme de simples polymères*, indépendamment de toute finalité biologique. Il n'est pas nécessaire de les insérer dans un organisme vivant pour effectuer des opérations de lecture/écriture, de duplication ou autres. Les polymères d'ADN sont simplement utilisés comme supports d'information permettant la liaison de 4 nucléotides* représentés par les quatre lettres A, C, G et T (Adénine, Cytosine, Guanine, Thymine). Le stockage de l'information sur l'ADN consiste donc à assembler des chaînes de nucléotides dont la séquence, qui repose sur un alphabet à 4 caractères, reflète l'information stockée. Schématiquement, le processus

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Fig. 1 – Volume de données créées et répliquées au niveau mondial depuis 2010. Statista 2024</figcaption></figure>
<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Fig. 2 –** Principe du stockage d'information sur ADN. Le processus d'écriture et de lecture de l'ADN est divisé en six étapes: les deux premières étapes correspondent à l'écriture des données et les trois dernières étapes correspondent à la lecture. (1) L'étape de codage transforme les textes binaires des documents en une suite de séquences ACGT; (2) la synthèse transforme ces séquences en molécules d'ADN; (3) ces molécules sont stockées dans des conteneurs étanches; (4) l'étape de sélection identifie les molécules correspondant au document à lire; (5) le séquençage transcrit les molécules d'ADN en séquences ACGT; (6) le décodage restitue le texte binaire original</figcaption></figure>

d'écriture et de lecture de l'ADN est divisé en six étapes, comme le montre la figure 2. Les deux premières étapes correspondent à l'écriture des données. Les trois dernières étapes correspondent à la lecture. Lors du codage, les documents binaires d'entrée (texte, image, musique, vidéo, etc.) sont, pour des raisons techniques, découpés et traduits en plusieurs séquences ACGT. Puis chaque séquence ACGT est synthétisée en un grand nombre de molécules d'ADN. Celles-ci sont ensuite encapsulées dans de petits conteneurs dans une atmosphère contrôlée adaptée au stockage à long terme. Pour la lecture, une sélection se fait dans un conteneur qui contient des millions de documents différents. Les molécules d'ADN sont retraduites en séquences ACGT à l'aide d'appareils, appelés séquenceurs, actuellement utilisés pour l'analyse des données génomiques. Enfin, les séquences ACGT générées par l'étape précédente sont d'abord corrigées avant d'être réorganisées pour reconstruire le document original. La lecture est destructive : les molécules d'ADN qui sont extraites du conteneur sont consommées pendant le séquençage. Pour conserver l'information, il faut auparavant dupliquer les molécules d'ADN, ce qui se fait aisément par des processus biotechnologiques standards.

## Synthèse et séquençage

La synthèse* et le séquençage* sont les deux étapes fondamentales du stockage d'information sur ADN. L'évolution des technologies sous-jacentes permet aujourd'hui de mettre en place, ou du moins de prototyper, des systèmes de stockage pérennes et à haute densité. Néanmoins, de nombreuses limitations, inhérentes à ces technologies, existent et elles ont des répercussions très significatives sur l'ensemble de la chaîne. La synthèse de l'ADN est probablement la partie la plus critique du pipeline. C'est un processus long et onéreux. Les synthétiseurs construisent des oligonucléotides* (ADN simple brin) de manière séquentielle, en ajoutant l'un après l'autre les nucléotides qui constituent la molécule finale. L'adjonction d'un nucléotide peut prendre plusieurs dizaines de secondes. Le débit en écriture est donc très lent. Une autre limitation importante est la taille des oligonucléotides générés par les synthétiseurs d'ADN : de 100 à 300 nucléotides maximum. Au-delà de cette taille, les taux d'erreurs deviennent trop élevés. L'impact sur le codage et l'organisation de l'information est immédiat : dans la plupart des cas, un fichier binaire ne pourra

pas être stocké sur une seule molécule, mais devra être fragmenté en plusieurs entités avec pour conséquences l'absorption d'une partie de la molécule pour coder des informations indispensables à la reconstitution du fichier original (métadonnées). Les solutions pour lever partiellement ces contraintes, sont la miniaturisation et la parallélisation des processus de synthèse. L'industrie des semi-conducteurs, via les MEMS* (Micro Electro Mechanical Systems), est très active sur ce domaine et permet sur une surface réduite de synthétiser simultanément plusieurs centaines de milliers d'oligonucléotides différents, permettant de réduire drastiquement les coûts de synthèse. Le séquençage, quant à lui, bénéficie des évolutions rapides liées à l'analyse des génomes depuis deux décennies. Le débit en lecture, comparé au débit en écriture, est supérieur de plusieurs ordres de grandeur. Il existe deux grandes technologies qui diffèrent par la taille des séquences qui peuvent être lues. L'une, dite « de seconde génération », ne peut lire que des courts fragments de taille comprise entre 100 à 300 nucléotides, mais avec des taux d'erreurs très faibles, inférieurs à 0,1 %. Par opposition, l'autre, dite « de troisième génération », lit des fragments beaucoup plus grands dont la taille varie de $10^4$ à $10^5$, mais avec des taux d'erreurs plus importants (entre 1 % et 5 %). Dans un cas comme dans l'autre, les erreurs sont de trois types : substitution, un caractère est remplacé par un autre ; délétion, un caractère est perdu ; et insertion, un caractère est ajouté. Le séquençage présente un caractère aléatoire. Seule, une fraction des molécules présentées au séquenceur est lue. Les molécules sont sélectionnées au hasard. Ainsi, pour lire un document encodé par exemple sur N molécules, il faudra en séquencer beaucoup plus pour être sûr de récupérer chaque molécule au moins une fois (rappelons que les N molécules du document sont présentes en de multiples exemplaires).
<table><thead><tr><th>Sélection</th><th>Indexation</th><th>Charge utile</th><th>Correction</th><th>Sélection</th></tr></thead></table>

Fig. 3 – Exemple de codage d'information sur une molécule d'ADN. La partie verte représente l'information utile d'une partie du document. La partie rouge (indexation) est une information permettant de restructurer le document qui est fragmenté en plusieurs molécules. La partie jaune (correction) correspond à une information redondante pour détecter et corriger les erreurs de synthèse, de stockage ou de séquençage. Les extrémités bleues sont rajoutées pour sélectionner le document. Ce sont de courtes séquences (en général de taille 20 nucléotides) qui identifient le document et qui jouent un rôle actif dans la sélection des molécules relatives à ce document.

## Codage de l'information

L'étape de codage prend en entrée un fichier binaire et produit un ensemble de séquences ACGT. Le passage d'une séquence binaire à une séquence quaternaire n'est pas immédiat et dépend d'un ensemble de contraintes. Le codage doit prendre en compte la taille des oligonucléotides de la technologie de synthèse et les erreurs de synthèse, de séquençage, et celles dues au stockage. Il dépend aussi de la composition des molécules (taux de GC*). Pour des raisons de stabilités thermodynamiques, le nombre de caractères A et T doit être sensiblement identique au nombre de caractères G et C; en pratique le taux de GC doit être compris entre 45 et 55 %. Durant cette étape, il faut aussi veiller à éviter la présence de suites de caractères identiques : les synthétiseurs, comme les séquenceurs, font beaucoup d'erreurs sur ces zones de texte. Enfin, certains mots ne doivent pas être présents car utilisés pour des opérations biotechnologiques comme la PCR*, par exemple. Le codage de l'information s'effectue généralement en deux temps. Le « codage source » prend d'abord en compte la nature des données et cherche à compressor les documents de manière optimale. Dans le contexte du stockage d'information sur ADN, cette partie est essentielle pour réduire à

la fois les temps et les coûts de synthèse. Le « codage canal » ajoute de la redondance *via* des codes correcteur d'erreur appropriés. La présence d'erreurs de type insertion ou délétion, habituellement non prises en compte dans les systèmes actuels, demande la conception de nouveaux codes correcteur d'erreur. Le résultat de la chaîne de codage est un ensemble de courtes molécules structurées en plusieurs champs comme le montre l'exemple de la figure 3.

## Le futur

Le stockage d'information sur ADN n'en est qu'à ses prémices. Il vise dans un premier temps les « données froides », plus particulièrement celles qui ont de la valeur et qu'il faut sauvegarder sur un temps long. Mais le déploiement de cette technologie dépend beaucoup des progrès de synthèse de l'ADN. À l'heure actuelle, le processus d'écriture est beaucoup trop lent et onéreux pour être économiquement viable dans une perspective de stockage à grande échelle. Cependant,

le projet Américain MIST* (*Molecular Information Storage*) indique dans sa feuille de route l'objectif d'un coût de synthèse de 1 dollar par gigaoctet en 2024 et de 1 dollar par téraoctet à l'horizon 2030. Cet objectif se base sur la miniaturisation de MEMS capables de synthétiser $10^8$ oligonucléotides de taille 500 en 2024 et $10^{12}$ oligonucléotides de taille 1 000 en 2030 sur le même circuit. Si cet objectif est atteint, le stockage d'information sur ADN deviendra une vraie alternative concurrentielle par rapport aux modes de stockage actuels. Pour pallier les contraintes de la synthèse, et proposer des solutions à plus court terme, d'autres approches sont explorées, notamment pour l'étape d'écriture. L'une d'elles repose sur la construction de longues molécules d'ADN à partir de briques de base déjà synthétisées. Celles-ci sont produites une fois pour toutes et régénérées périodiquement à bas coût pour constituer une bibliothèque à partir de laquelle sont réalisés des assemblages par concaténation de ces petites molécules. L'expertise biotech se déplace ici sur la manière de constituer rapidement ces longues molécules de quelques milliers de nucléotides. Un usage industriel passe aussi nécessairement par le développement de MEMS capables de produire simultanément des millions de molécules de ce type. Les avantages de cette solution, par rapport à la production à façon d'oligonucléotides, sont un coût de synthèse quasi nul, une meilleure stabilité (ADN double brin), une indexation réduite (documents moins fragmentés) et une exploitation avantageuse des séquenceurs de troisième génération.

## Références bibliographiques

* Académie des technologies – *Archiver les mégadonnées au-delà de 2040 : la piste de l'ADN.* ADN : lire, écrire, stocker l'information, rapport de l'académie des technologies, octobre 2020.

* A. DORICCHI et al. – *Emerging Approaches to DNA Data Storage: Challenges and Prospects*, ACS Nano, 2022.