Een team van onderzoekers van de Brown University heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt in een poging om een ​​nieuw type moleculair gegevensopslagsysteem te creëren.

In een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie , het team heeft verschillende afbeeldingsbestanden opgeslagen:een tekening van Picasso, een afbeelding van de Egyptische god Anubis en anderen - in arrays van mengsels met op maat gemaakte kleine moleculen. In alles, de onderzoekers sloegen meer dan 200 kilobyte aan data op, waarvan ze zeggen dat het tot nu toe het meest is opgeslagen met kleine moleculen. Dat zijn niet veel data vergeleken met traditionele opslagmiddelen, maar het is een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van opslag van kleine moleculen, zeggen de onderzoekers.

"Ik denk dat dit een substantiële stap voorwaarts is, " zei Jacob Rosenstein, een assistent-professor aan Brown's School of Engineering en een auteur van de studie. "De grote aantallen unieke kleine moleculen, de hoeveelheid gegevens die we kunnen opslaan, en de betrouwbaarheid van de data-uitlezing is veelbelovend om dit nog verder op te schalen."

Terwijl het data-universum zich blijft uitbreiden, er wordt hard gewerkt aan het vinden van nieuwe en compactere opslagmiddelen. Door gegevens in moleculen te coderen, het kan mogelijk zijn om het equivalent van terabytes aan gegevens op slechts enkele millimeters ruimte op te slaan. Het meeste onderzoek naar moleculaire opslag heeft zich gericht op polymeren met lange ketens zoals DNA, die bekende dragers van biologische gegevens zijn. Maar er zijn potentiële voordelen aan het gebruik van kleine moleculen in tegenstelling tot lange polymeren. Kleine moleculen zijn potentieel gemakkelijker en goedkoper te produceren dan synthetisch DNA, en in theorie een nog hogere opslagcapaciteit hebben.

Het onderzoeksteam van Brown, ondersteund door een subsidie ​​van het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) onder leiding van professor scheikunde Brenda Rubenstein, heeft gewerkt aan het vinden van manieren om gegevensopslag met kleine moleculen haalbaar en schaalbaar te maken.

Om gegevens op te slaan, het team gebruikt kleine metalen platen met daarin 1, 500 kleine vlekjes met een diameter van minder dan een millimeter. Elke plek bevat een mengsel van moleculen. De aanwezigheid of afwezigheid van verschillende moleculen in elk mengsel geven de digitale gegevens aan. Het aantal bits in elk mengsel kan zo groot zijn als de bibliotheek van verschillende moleculen die beschikbaar zijn om te mengen. De gegevens kunnen vervolgens worden uitgelezen met behulp van een massaspectrometer, die de moleculen in elk putje kan identificeren.

In een vorig jaar verschenen paper het Brown-team toonde aan dat ze afbeeldingsbestanden in het kilobytebereik konden opslaan met behulp van enkele veelvoorkomende metabolieten, de moleculen die organismen gebruiken om het metabolisme te reguleren. Voor dit nieuwe werk de onderzoekers waren in staat om de grootte van hun bibliotheek enorm uit te breiden - en daarmee de grootte van de bestanden die ze konden coderen - door hun eigen moleculen te synthetiseren.

Het team maakte hun moleculen met behulp van Ugi-reacties, een techniek die vaak wordt gebruikt in de farmaceutische industrie om snel grote aantallen verschillende verbindingen te produceren. Ugi-reacties combineren vier brede klassen van reagentia (een amine, een aldehyde of een keton, een carbonzuur, en een isocyanide) in één nieuw molecuul. Door verschillende reagentia uit elke klasse te gebruiken, de onderzoekers konden snel een breed scala aan verschillende moleculen produceren. Voor dit werk, het team gebruikte vijf verschillende amines, vijf aldehyden, 12 carbonzuren, en vijf isocyaniden in verschillende combinaties om 1, 500 verschillende verbindingen.

"Het voordeel hier is de potentiële schaalbaarheid van de bibliotheek, Rubenstein zei. "We gebruiken slechts 27 verschillende componenten om een ​​1 te maken. Bibliotheek van 500 moleculen in één dag. Dat betekent dat we niet op zoek hoeven te gaan naar 1, 500 unieke moleculen."

Vanaf daar, het team gebruikte subbibliotheken van verbindingen om hun afbeeldingen te coderen. Een 32-compound bibliotheek werd gebruikt om een ​​binair beeld van de Egyptische god Anubis op te slaan. Een 575-compound-bibliotheek werd gebruikt om een ​​Picasso-tekening van een viool van 0,88 megapixels te coderen.

Het grote aantal moleculen dat beschikbaar is voor de chemische bibliotheken stelde de onderzoekers ook in staat alternatieve coderingsschema's te verkennen die de uitlezing van gegevens robuuster maakten. Hoewel massaspectrometrie zeer nauwkeurig is, het is niet perfect. Dus zoals bij elk systeem dat wordt gebruikt om gegevens op te slaan of te verzenden, dit systeem heeft een of andere vorm van foutcorrectie nodig.

"De manier waarop we de bibliotheken ontwerpen en de gegevens uitlezen, bevat extra informatie waarmee we enkele fouten kunnen corrigeren, " zei Brown afgestudeerde student Chris Arcadia, eerste auteur van het artikel. "Dat heeft ons geholpen de experimentele workflow te stroomlijnen en toch nauwkeurigheidspercentages van 99 procent te behalen."

Er is nog meer werk te doen om dit idee op een bruikbare schaal te brengen, zeggen de onderzoekers. Maar de mogelijkheid om grote chemische bibliotheken te maken en deze te gebruiken voor het coderen van steeds grotere bestanden suggereert dat de aanpak inderdaad kan worden opgeschaald.

"We worden niet langer beperkt door de grootte van onze chemische bibliotheek, wat echt belangrijk is, "Zei Rosenstein. "Dat is de grootste stap voorwaarts hier. Toen we een paar jaar geleden met dit project begonnen, we hadden enkele discussies over de vraag of iets van deze schaal zelfs experimenteel haalbaar was. Dus het is echt bemoedigend dat we dit hebben kunnen doen."