Ett team av Brown University-forskare har gjort betydande framsteg i ett försök att skapa en ny typ av molekylär datalagringssystem.

I en studie publicerad i Naturkommunikation , teamet lagrade en mängd olika bildfiler – en Picasso-teckning, en bild av den egyptiska guden Anubis och andra – i mängder av blandningar som innehåller specialsyntetiserade små molekyler. I alla, forskarna lagrade mer än 200 kilobyte data, som de säger är den mest lagrade hittills med hjälp av små molekyler. Det är inte mycket data jämfört med traditionella lagringsmetoder, men det är betydande framsteg när det gäller lagring av små molekyler, säger forskarna.

"Jag tror att det här är ett stort steg framåt, sade Jacob Rosenstein, en biträdande professor vid Browns School of Engineering och en författare till studien. "Det stora antalet unika små molekyler, mängden data vi kan lagra, och tillförlitligheten hos dataavläsningen visar ett verkligt löfte för att skala upp detta ytterligare."

När datauniversumet fortsätter att expandera, mycket arbete görs för att hitta nya och mer kompakta förvaringsmöjligheter. Genom att koda data i molekyler, det kan vara möjligt att lagra motsvarande terabyte data på bara några millimeters utrymme. Mest forskning om molekylär lagring har fokuserat på långkedjiga polymerer som DNA, som är välkända bärare av biologiska data. Men det finns potentiella fördelar med att använda små molekyler i motsats till långa polymerer. Små molekyler är potentiellt lättare och billigare att producera än syntetiskt DNA, och har i teorin en ännu högre lagringskapacitet.

Forskargruppen Brown, med stöd av ett anslag från U.S. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) under ledning av kemiprofessor Brenda Rubenstein, har arbetat för att hitta sätt att göra småmolekylära datalagring genomförbar och skalbar.

För att lagra data, laget använder små metallplattor med 1, 500 små fläckar mindre än en millimeter i diameter. Varje fläck innehåller en blandning av molekyler. Närvaron eller frånvaron av olika molekyler i varje blandning indikerar digitala data. Antalet bitar i varje blandning kan vara lika stort som biblioteket av distinkta molekyler som är tillgängliga för blandning. Data kan sedan läsas ut med en masspektrometer, som kan identifiera de molekyler som finns i varje brunn.

I en tidning som publicerades förra året, Brown-teamet visade att de kunde lagra bildfiler i kilobyteintervallet med hjälp av några vanliga metaboliter, de molekyler som organismer använder för att reglera ämnesomsättningen. För detta nya arbete, forskarna kunde avsevärt utöka storleken på sitt bibliotek – och därmed storleken på filerna de kunde koda – genom att syntetisera sina egna molekyler.

Teamet tillverkade sina molekyler med hjälp av Ugi-reaktioner - en teknik som ofta används inom läkemedelsindustrin för att snabbt producera ett stort antal olika föreningar. Ugi-reaktioner kombinerar fyra breda klasser av reagens (en amin, en aldehyd eller en keton, en karboxylsyra, och en isocyanid) till en ny molekyl. Genom att använda olika reagenser från varje klass, forskarna kunde snabbt producera ett brett spektrum av distinkta molekyler. För detta arbete, laget använde fem olika aminer, fem aldehyder, 12 karboxylsyror, och fem isocyanider i olika kombinationer för att skapa 1, 500 distinkta föreningar.

"Fördelen här är den potentiella skalbarheten av biblioteket, ", sa Rubenstein. "Vi använder bara 27 olika komponenter för att göra en 1, 500-molekyler bibliotek på en dag. Det betyder att vi inte behöver gå ut och hitta 1, 500 unika molekyler."

Därifrån, teamet använde underbibliotek av föreningar för att koda sina bilder. Ett bibliotek med 32 ämnen användes för att lagra en binär bild av den egyptiska guden Anubis. Ett bibliotek med 575 ämnen användes för att koda en 0,88-megapixel Picasso-teckning av en fiol.

Det stora antalet molekyler tillgängliga för de kemiska biblioteken gjorde det också möjligt för forskarna att utforska alternativa kodningsscheman som gjorde utläsningen av data mer robust. Även om masspektrometri är mycket exakt, det är inte perfekt. Så som med alla system som används för att lagra eller överföra data, detta system kommer att behöva någon form av felkorrigering.

"Sättet vi designar biblioteken och läser ut data innehåller extra information som låter oss rätta till vissa fel, " sa Brown doktorand Chris Arcadia, tidningens första författare. "Det hjälpte oss att effektivisera det experimentella arbetsflödet och fortfarande få en noggrannhetsgrad så hög som 99 procent."

Det finns fortfarande mer arbete att göra för att få upp den här idén till en användbar skala, säger forskarna. Men möjligheten att skapa stora kemiska bibliotek och använda dem för att koda allt större filer tyder på att tillvägagångssättet verkligen kan skalas upp.

"Vi är inte längre begränsade av storleken på vårt kemiska bibliotek, vilket är riktigt viktigt, ", sa Rosenstein. "Det är det största steget framåt här. När vi startade detta projekt för några år sedan, vi hade några debatter om huruvida något av denna skala ens var experimentellt genomförbart. Så det är verkligen uppmuntrande att vi har kunnat göra det här."