Forskere rapporterer fremskridt med molekylær datalagringssystem

Et team af forskere fra Brown University har gjort betydelige fremskridt i et forsøg på at skabe en ny type molekylært datalagringssystem.

I en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , teamet gemte en række billedfiler - en Picasso -tegning, et billede af den egyptiske gud Anubis og andre-i arrays af blandinger, der indeholder specialfremstillede små molekyler. I alt, forskerne lagrede mere end 200 kilobytes data, som de siger er den mest gemte til dato ved hjælp af små molekyler. Det er ikke mange data i forhold til traditionelle lagringsmidler, men det er betydelige fremskridt med hensyn til opbevaring af små molekyler, siger forskerne.

"Jeg synes, at dette er et væsentligt skridt fremad, "sagde Jacob Rosenstein, en assisterende professor i Brown's School of Engineering og en forfatter til undersøgelsen. "Det store antal unikke små molekyler, mængden af ​​data, vi kan gemme, og pålideligheden af ​​datalæsningen viser et reelt løfte om at skalere dette yderligere. "

Efterhånden som datauniverset fortsætter med at ekspandere, der arbejdes meget på at finde nye og mere kompakte opbevaringsmidler. Ved at kode data i molekyler, det kan være muligt at gemme ækvivalent med terabyte data på bare et par millimeter plads. De fleste undersøgelser af molekylær opbevaring har fokuseret på langkædede polymerer som DNA, som er velkendte bærere af biologiske data. Men der er potentielle fordele ved at bruge små molekyler i modsætning til lange polymerer. Små molekyler er potentielt lettere og billigere at producere end syntetisk DNA, og i teorien har en endnu højere lagerkapacitet.

Det brune forskerhold, støttet af et U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) tilskud ledet af kemiprofessor Brenda Rubenstein, har arbejdet på at finde måder at gøre datalagring af små molekyler mulig og skalerbar.

For at gemme data, holdet bruger små metalplader med 1, 500 bittesmå pletter mindre end en millimeter i diameter. Hvert sted indeholder en blanding af molekyler. Tilstedeværelsen eller fraværet af forskellige molekyler i hver blanding angiver de digitale data. Antallet af bits i hver blanding kan være lige så stort som biblioteket med forskellige molekyler, der er tilgængelige til blanding. Dataene kan derefter aflæses ved hjælp af et massespektrometer, som kan identificere molekylerne i hver brønd.

I et papir, der blev offentliggjort sidste år, Brown -teamet viste, at de kunne gemme billedfiler i kilobyteområdet ved hjælp af nogle almindelige metabolitter, de molekyler, som organismer bruger til at regulere stofskiftet. Til dette nye værk, forskerne var i stand til at udvide størrelsen af ​​deres bibliotek - og derved størrelsen på de filer, de kunne kode - ved at syntetisere deres egne molekyler.

Teamet lavede deres molekyler ved hjælp af Ugi -reaktioner - en teknik, der ofte bruges i medicinalindustrien til hurtigt at producere et stort antal forskellige forbindelser. Ugi -reaktioner kombinerer fire brede klasser af reagenser (en amin, et aldehyd eller en keton, en carboxylsyre, og et isocyanid) til et nyt molekyle. Ved at bruge forskellige reagenser fra hver klasse, forskerne kunne hurtigt producere en lang række forskellige molekyler. Til dette arbejde, holdet brugte fem forskellige aminer, fem aldehyder, 12 carboxylsyrer, og fem isocyanider i forskellige kombinationer for at skabe 1, 500 forskellige forbindelser.

"Fordelen her er bibliotekets potentielle skalerbarhed, "Rubenstein sagde." Vi bruger kun 27 forskellige komponenter til at lave en 1, 500-molekylbibliotek på en dag. Det betyder, at vi ikke behøver at gå ud og finde 1, 500 unikke molekyler. "

Derfra, teamet brugte underbiblioteker af forbindelser til at kode deres billeder. Et 32-sammensat bibliotek blev brugt til at gemme et binært billede af den egyptiske gud Anubis. Et 575-sammensat bibliotek blev brugt til at kode en 0,88-megapixel Picasso-tegning af en violin.

Det store antal molekyler, der er til rådighed for de kemiske biblioteker, gjorde det også muligt for forskerne at undersøge alternative kodningsordninger, der gjorde udlæsningen af ​​data mere robust. Mens massespektrometri er meget præcis, det er ikke perfekt. Som med ethvert system, der bruges til at gemme eller overføre data, dette system har brug for en eller anden form for fejlrettelse.

"Den måde, vi designer bibliotekerne på og læser dataene, indeholder ekstra oplysninger, der lader os rette nogle fejl, "sagde Brown -kandidatstuderende Chris Arcadia, første forfatter til papiret. "Det hjalp os med at strømline den eksperimentelle arbejdsgang og stadig få nøjagtighedshastigheder på helt op til 99 procent."

Der er stadig mere arbejde, der skal gøres for at bringe denne idé op på en nyttig skala, siger forskerne. Men evnen til at oprette store kemiske biblioteker og bruge dem til kodning af stadig større filer tyder på, at tilgangen faktisk kan skaleres op.

"Vi er ikke længere begrænset af størrelsen på vores kemiske bibliotek, hvilket er virkelig vigtigt, "Sagde Rosenstein." Det er det største skridt fremad her. Da vi startede dette projekt for et par år siden, vi havde nogle debatter om, hvorvidt noget af denne skala overhovedet var eksperimentelt muligt. Så det er virkelig opmuntrende, at vi har været i stand til at gøre dette. "