Uma equipe de pesquisadores da Brown University fez progressos substanciais em um esforço para criar um novo tipo de sistema de armazenamento de dados moleculares.

Em um estudo publicado em Nature Communications , a equipe armazenou uma variedade de arquivos de imagem - um desenho de Picasso, uma imagem do deus egípcio Anúbis e outros - em conjuntos de misturas contendo pequenas moléculas sintetizadas de maneira personalizada. Em tudo, os pesquisadores armazenaram mais de 200 kilobytes de dados, que eles dizem ser o mais armazenado até agora, usando pequenas moléculas. Não são muitos dados em comparação com os meios tradicionais de armazenamento, mas é um progresso significativo em termos de armazenamento de pequenas moléculas, dizem os pesquisadores.

"Acho que este é um passo substancial à frente, "disse Jacob Rosenstein, professor assistente na Escola de Engenharia de Brown e autor do estudo. "O grande número de pequenas moléculas exclusivas, a quantidade de dados que podemos armazenar, e a confiabilidade da leitura de dados mostra uma promessa real de escalar ainda mais. "

À medida que o universo de dados continua a se expandir, muito trabalho está sendo feito para encontrar meios de armazenamento novos e mais compactos. Codificando dados em moléculas, pode ser possível armazenar o equivalente a terabytes de dados em apenas alguns milímetros de espaço. A maioria das pesquisas sobre armazenamento molecular tem se concentrado em polímeros de cadeia longa como o DNA, que são portadores bem conhecidos de dados biológicos. Mas existem vantagens potenciais em usar moléculas pequenas em oposição a polímeros longos. Moléculas pequenas são potencialmente mais fáceis e mais baratas de produzir do que DNA sintético, e, em teoria, têm uma capacidade de armazenamento ainda maior.

A equipe de pesquisa Brown, apoiado por uma bolsa da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA (DARPA) liderada pela professora de química Brenda Rubenstein, tem trabalhado para encontrar maneiras de tornar o armazenamento de dados de pequenas moléculas viável e escalonável.

Para armazenar dados, a equipe usa pequenas placas de metal dispostas com 1, 500 pontos minúsculos com menos de um milímetro de diâmetro. Cada ponto contém uma mistura de moléculas. A presença ou ausência de moléculas diferentes em cada mistura indicam os dados digitais. O número de bits em cada mistura pode ser tão grande quanto a biblioteca de moléculas distintas disponíveis para mistura. Os dados podem então ser lidos usando um espectrômetro de massa, que pode identificar as moléculas presentes em cada poço.

Em um artigo publicado no ano passado, a equipe de Brown mostrou que eles podiam armazenar arquivos de imagem na faixa de kilobytes usando alguns metabólitos comuns, as moléculas que os organismos usam para regular o metabolismo. Para este novo trabalho, os pesquisadores foram capazes de expandir amplamente o tamanho de sua biblioteca - e, portanto, o tamanho dos arquivos que eles podiam codificar - sintetizando suas próprias moléculas.

A equipe fez suas moléculas usando reações Ugi - uma técnica frequentemente usada na indústria farmacêutica para produzir rapidamente um grande número de compostos diferentes. As reações Ugi combinam quatro grandes classes de reagentes (uma amina, um aldeído ou uma cetona, um ácido carboxílico, e um isocianeto) em uma nova molécula. Usando diferentes reagentes de cada classe, os pesquisadores puderam produzir rapidamente uma ampla gama de moléculas distintas. Para este trabalho, a equipe usou cinco aminas diferentes, cinco aldeídos, 12 ácidos carboxílicos, e cinco isocianetos em combinações diferentes para criar 1, 500 compostos distintos.

"A vantagem aqui é a escalabilidade potencial da biblioteca, "Rubenstein disse." Usamos apenas 27 componentes diferentes para fazer um 1, Biblioteca de 500 moléculas em um dia. Isso significa que não temos que sair e encontrar 1, 500 moléculas únicas. "

De lá, a equipe usou sub-bibliotecas de compostos para codificar suas imagens. Uma biblioteca de 32 compostos foi usada para armazenar uma imagem binária do deus egípcio Anúbis. Uma biblioteca de 575 compostos foi usada para codificar um desenho de um violino de Picasso de 0,88 megapixels.

O grande número de moléculas disponíveis para as bibliotecas químicas também permitiu aos pesquisadores explorar esquemas de codificação alternativos que tornaram a leitura de dados mais robusta. Embora a espectrometria de massa seja altamente precisa, não é perfeito. Assim como com qualquer sistema usado para armazenar ou transmitir dados, este sistema precisará de alguma forma de correção de erros.

"A maneira como projetamos as bibliotecas e lemos os dados inclui informações extras que nos permitem corrigir alguns erros, "disse o estudante de pós-graduação da Brown Chris Arcadia, primeiro autor do artigo. "Isso nos ajudou a otimizar o fluxo de trabalho experimental e ainda obter taxas de precisão de até 99 por cento."

Ainda há mais trabalho a ser feito para levar essa ideia a uma escala útil, dizem os pesquisadores. Mas a capacidade de criar grandes bibliotecas químicas e usá-las para codificar arquivos cada vez maiores sugere que a abordagem pode, de fato, ser ampliada.

"Não estamos mais limitados pelo tamanho de nossa biblioteca química, o que é muito importante, "Rosenstein disse." Esse é o maior passo em frente aqui. Quando começamos este projeto há alguns anos, tivemos alguns debates sobre se algo dessa escala era mesmo experimentalmente viável. Portanto, é muito encorajador termos sido capazes de fazer isso. "