Description du sujet de thèse

L'objectif de la thèse est de procéder à l’évaluation de l’empreinte environnementale du stockage et du calcul ADN en utilisant l’analyse du cycle de vie (ACV). Cette technologie émergente promet une réduction drastique de la consommation énergétique du stockage et du traitement de l’information. Le projet s''intéressera d'abord à l'empreinte environnementale de procédés de base de le biochimie puis quantifiera les impacts de cette technologie émergente en collaboration avec des experts en ACV et en nanotechnologie ADN.

Les technologies émergentes tentent de justifier leur large utilisation soit par leur puissance, leur efficacité, soit, plus récemment, par leur durabilité. Pour des raisons évidentes, l'informatique et le traitement de l'information regorgent d'innovations technologiques. Cependant, une préoccupation majeure est l'augmentation de la consommation d'énergie et de matériaux pour le stockage et la récupération des données.

Depuis dix ans, l'ADN est considéré comme un support matériel prometteur pour le stockage de données numériques, après avoir été le support du stockage de données biologiques pendant quelques milliards d'années. L'ADN a démontré sa capacité à encoder des informations à des densités très élevées, jusqu'à 1E18 bits/mm3, soit huit ordres de grandeur de plus que la technologie actuelle des disques durs. De plus, il a la capacité de stocker des données pendant de longues périodes (supérieur 1000 ans) sans consommer d'énergie. Les inconvénients de cette technologie émergente sont la lenteur de la récupération des données et le coût élevé de l'écriture des données, ce dernier étant dû à la technologie actuelle de synthèse de l'ADN.

Une possibilité pour passer d'une lecture lente (appelée stockage à froid) à une lecture rapide (c'est-à-dire stockage à chaud) des données stockées dans l'ADN est d'effectuer directement des calculs et des recherches de données avec l'ADN. Une première étape dans cette direction a été réalisée par nos collaborateurs dans un récent travail sur les réseaux de neurones enzymatiques. Cette technologie utilise des réactions enzymatiques pour implémenter un réseau de neurones enzymatiques codé par l'ADN qui effectue des calculs directement sur les données stockées dans l'ADN. Remarquablement, cette technologie consomme 30 000 fois moins d'énergie que son équivalent électronique pour effectuer un calcul donné.

Dans ce projet de doctorat, nous irons au-delà de cette estimation approximative de la consommation d'énergie et tenterons de quantifier l'empreinte environnementale du stockage et du calcul par ADN. Pour ce faire, nous travaillerons dans le cadre de l'analyse prospective du cycle de vie (ACV), en prenant comme point de départ une récente étude ACV sur le stockage d'ADN. Le projet bénéficiera de notre forte expertise à la fois en nanotechnologie de l'ADN et en ACV, et sera mené en étroite collaboration avec Philippe Loubet, professeur associé à Bordeaux INP et expert en ACV.


1 Erlich, Y. & Zielinski, D. DNA Fountain enables a robust and efficient storage architecture. Science 355, 950–954
(2017).
2 Church, G. M., Gao, Y. & Kosuri, S. Next-Generation Digital Information Storage in DNA. Science 337, 1628–
1628 (2012).
3 Okumura, S. et al. Nonlinear decision-making with enzymatic neural networks. Nature 610, 496–501 (2022).
4 Bergerson, J. A. et al. Life cycle assessment of emerging technologies: Evaluation techniques at different stages of
market and technical maturity. J of Industrial Ecology 24, 11–25 (2020)..
5 Nguyen, B. et al. Architecting Datacenters for Sustainability: Greener Data Storage using Synthetic DNA. in
Electronics Goes Green 2020 (IEEE, 2020).
6 Zadorin, A. S. et al. Synthesis and materialization of a reaction–diffusion French flag pattern. Nature Chemistry 9,
990 (2017).
7 De Paepe, M., Jeanneau, L., Mariette, J., Aumont, O. & Estevez-Torres, A. Purchases dominate the carbon footprint
of research laboratories. PLOS Sustainability and Transformation 3, e0000116 (2024).
8 Loubet, P. et al. Life cycle assessment of ICT in higher education: a comparison between desktop and single-board
computers. Int J Life Cycle Assess 28, 255–273 (2023).

Contexte de travail

Le travail s'effectuera au laboratoire LASIRE, à l'interface chimie-environnement dans le contexte d'une collaboration franco-japonaise financée par le CNRS (https://www.cnrs.fr/fr/nos-recherches/france-2030/projet-ri2/calcadn). Le/la candidate effectuera ses travaux au sein de l'équipe Physico-chimie de l'environnement du Lasire, comprenant des chimistes de l'eau et de l'atmosphère et des écologues. La thèse sera encadrée par André Estevez-Torres (Directeur de recherche en chimie/sciences de la soutenabilité) en collaboration avec Philippe Loubet, spécialiste de l'ACV à Bordeaux INP. Ce travail s'inscrit dans le contexte de l'Institut des transitions environnementales et sociales de l'Université de Lille, dans un environnement de travail très riche et interdisciplinaire sur les questions environnementales.

Le travail consistera essentiellement dans le développement et l'utilisation de méthodes d'analyse de cycle de vie adaptées aux technologies émergentes et sera effectué avec un ordinateur. Des connaissances solides en analyse de cycle de vie, programmation python ou R, utilisation de bases de données sont nécessaires.La candidate ou le candidat aura un goût pour les problèmes écologiques. Une formation d'ingénieur ou en sciences de l'environnement est attendue.


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Travail sur ordinateur