SD Dahlhauser et al., 2022
Des scientifiques de l’Université du Texas à Austin ont envoyé une lettre à des collègues du Massachusetts avec un message secret : une clé de cryptage pour déverrouiller un fichier texte du roman classique de L. Frank Baum Le merveilleux magicien d’Oz. La torsion: La clé de cryptage était cachée dans une encre spéciale mélangée à des polymères. Ils ont décrit leur travail dans un article récent publié dans la revue ACS Central Science.
En ce qui concerne les moyens alternatifs de stockage et de récupération des données, l’objectif est de stocker les données dans le plus petit espace possible dans un format durable et lisible. Parmi les polymères, l’ADN a longtemps été le favori à cet égard. Comme nous l’avons signalé précédemment, l’ADN a quatre blocs de construction 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 de base 4 et en lui attribuant l’une des quatre lettres. Un seul gramme d’ADN peut représenter près d’un milliard de téraoctets (1 zettaoctet) de données. Et les données stockées peuvent être conservées pendant de longues périodes, des décennies, voire des siècles.
Il y a eu quelques rebondissements inventifs sur la méthode de base pour le stockage de l’ADN ces dernières années. Par exemple, en 2019, des scientifiques 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. Et des scientifiques de l’Université de Washington ont récemment enregistré des paroles de K-Pop directement sur des cellules vivantes à l’aide d’une « machine à écrire à ADN ».
Mais l’utilisation de l’ADN comme support de stockage présente également des défis, il y a donc également un grand intérêt à proposer d’autres alternatives. L’année dernière, des scientifiques de l’Université de Harvard ont développé une approche de stockage de données basée sur des mélanges de colorants fluorescents imprimés sur une surface époxy en minuscules points. Le mélange de colorants à chaque endroit code des informations qui sont ensuite lues avec un microscope à fluorescence. 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.
D’autres scientifiques ont exploré la possibilité d’utiliser des polymères non biologiques pour le stockage de données moléculaires, décodant (ou lisant) les informations stockées en séquençant les polymères avec la spectrométrie de masse en tandem. En 2019, les scientifiques de Harvard ont 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.
ACS Central Science 2022/CC BY-NC-ND
Ce dernier article s’est concentré sur l’utilisation de polymères définis par séquence (SDP) comme support de stockage pour chiffrer un grand ensemble de données. Les SDP sont essentiellement de longues chaînes de monomères, chacune correspondant à l’un des 16 symboles. « Parce qu’il s’agit d’un polymère avec une séquence très spécifique, les unités le long de cette séquence peuvent transporter une séquence d’informations, tout comme n’importe quelle phrase contient des informations dans la séquence de lettres », a déclaré le co-auteur Eric Anslyn de l’UT au New Scientist.
Mais ces macromolécules ne peuvent pas stocker autant d’informations que l’ADN, selon les auteurs, car le processus de stockage de plus de données avec chaque monomère supplémentaire devient de plus en plus inefficace, ce qui rend extrêmement difficile la récupération des informations avec la récolte actuelle d’instruments analytiques disponibles. Il faut donc utiliser des SDP courts, ce qui limite la quantité de données pouvant être stockées par molécule. Anslyn et ses co-auteurs ont trouvé un moyen d’améliorer cette capacité de stockage et ont testé la viabilité de leur méthode.
Tout d’abord, Anslyn et al. a utilisé une clé de cryptage de 256 bits pour coder le roman de Baum dans un matériau polymère composé d’acides aminés disponibles dans le commerce. Les séquences étaient composées de huit oligouréthanes, chacun de 10 monomères de long. Les huit monomères du milieu détenaient la clé, tandis que les monomères à chaque extrémité d’une séquence servaient d’espaces réservés pour la synthèse et le décodage. Les espaces réservés ont été « empreintes digitales » à l’aide de différentes étiquettes isotopiques, telles que des étiquettes halogènes, indiquant où les informations codées de chaque polymère s’inscrivent dans l’ordre de la clé numérique finale,
Ensuite, ils ont mélangé tous les polymères ensemble et ont utilisé la dépolymérisation et la chromatographie liquide-spectrométrie de masse (LC/MS) pour « décoder » la structure d’origine et la clé de cryptage. Le dernier test indépendant : ils ont mélangé les polymères dans une encre spéciale composée d’isopropanol, de glycérol et de suie. Ils ont utilisé l’encre pour écrire une lettre à James Reuther de l’Université du Massachusetts à Lowell. Le laboratoire de Reuther a ensuite extrait l’encre du papier et a utilisé la même analyse séquentielle pour récupérer la clé de cryptage binaire, révélant le fichier texte de Le merveilleux magicien d’Oz.
En d’autres termes, le laboratoire d’Anslyn a écrit un message (la lettre) contenant un autre message secret (Le merveilleux magicien d’Oz) caché dans la structure moléculaire de l’encre. Il pourrait y avoir des moyens plus pragmatiques d’accomplir l’exploit, mais ils ont réussi à stocker 256 bits dans les SDP, sans utiliser de longs brins. « C’est la première fois qu’autant d’informations sont stockées dans un polymère de ce type », a déclaré Anslyn, ajoutant que cette percée représente « une avancée scientifique révolutionnaire dans le domaine du stockage de données moléculaires et de la cryptographie ».
Anslyn et ses collègues pensent que leur méthode est suffisamment robuste pour les applications de chiffrement du monde réel. À l’avenir, ils espèrent trouver comment automatiser de manière robotique les processus d’écriture et de lecture.
DOI : ACS Central Science, 2022. 10.1021/acscentsci.2c00460 (À propos des DOI).