Un equipo de investigadores de la Universidad de Brown ha logrado un progreso sustancial en un esfuerzo por crear un nuevo tipo de sistema de almacenamiento de datos moleculares.

En un estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza , el equipo almacenó una variedad de archivos de imágenes:un dibujo de Picasso, una imagen del dios egipcio Anubis y otros, en conjuntos de mezclas que contienen pequeñas moléculas sintetizadas a medida. En todo, los investigadores almacenaron más de 200 kilobytes de datos, que dicen es el más almacenado hasta la fecha utilizando moléculas pequeñas. Eso no es una gran cantidad de datos en comparación con los medios tradicionales de almacenamiento, pero es un progreso significativo en términos de almacenamiento de moléculas pequeñas, dicen los investigadores.

"Creo que este es un paso adelante sustancial, "dijo Jacob Rosenstein, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería de Brown y autor del estudio. "La gran cantidad de moléculas pequeñas únicas, la cantidad de datos que podemos almacenar, y la confiabilidad de la lectura de datos muestra una promesa real para ampliar esto aún más ".

A medida que el universo de datos continúa expandiéndose, se está trabajando mucho para encontrar medios de almacenamiento nuevos y más compactos. Al codificar datos en moléculas, puede ser posible almacenar el equivalente a terabytes de datos en solo unos pocos milímetros de espacio. La mayor parte de la investigación sobre almacenamiento molecular se ha centrado en polímeros de cadena larga como el ADN, que son portadores bien conocidos de datos biológicos. Pero existen ventajas potenciales al usar moléculas pequeñas en comparación con polímeros largos. Las moléculas pequeñas son potencialmente más fáciles y económicas de producir que el ADN sintético. y en teoría tienen una capacidad de almacenamiento aún mayor.

El equipo de investigación de Brown, con el apoyo de una subvención de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (DARPA) dirigida por la profesora de química Brenda Rubenstein, ha estado trabajando para encontrar formas de hacer que el almacenamiento de datos de moléculas pequeñas sea factible y escalable.

Para almacenar datos, el equipo utiliza pequeñas placas de metal dispuestas con 1, 500 manchas diminutas de menos de un milímetro de diámetro. Cada mancha contiene una mezcla de moléculas. La presencia o ausencia de diferentes moléculas en cada mezcla indican los datos digitales. El número de bits en cada mezcla puede ser tan grande como la biblioteca de moléculas distintas disponibles para mezclar. Luego, los datos se pueden leer usando un espectrómetro de masas, que puede identificar las moléculas presentes en cada pocillo.

En un artículo publicado el año pasado, el equipo de Brown demostró que podían almacenar archivos de imágenes en el rango de kilobytes usando algunos metabolitos comunes, las moléculas que utilizan los organismos para regular el metabolismo. Para este nuevo trabajo, los investigadores pudieron expandir enormemente el tamaño de su biblioteca y, por lo tanto, los tamaños de los archivos que podían codificar, sintetizando sus propias moléculas.

El equipo creó sus moléculas utilizando reacciones Ugi, una técnica que se utiliza a menudo en la industria farmacéutica para producir rápidamente una gran cantidad de compuestos diferentes. Las reacciones Ugi combinan cuatro amplias clases de reactivos (una amina, un aldehído o una cetona, un ácido carboxílico, y un isocianuro) en una nueva molécula. Usando diferentes reactivos de cada clase, los investigadores pudieron producir rápidamente una amplia gama de moléculas distintas. Por este trabajo, el equipo usó cinco aminas diferentes, cinco aldehídos, 12 ácidos carboxílicos, y cinco isocianuros en diferentes combinaciones para crear 1, 500 compuestos distintos.

"La ventaja aquí es la escalabilidad potencial de la biblioteca, ", Dijo Rubenstein." Usamos solo 27 componentes diferentes para hacer un 1, Biblioteca de 500 moléculas en un día. Eso significa que no tenemos que salir a buscar 1, 500 moléculas únicas ".

Desde allí, el equipo utilizó subbibliotecas de compuestos para codificar sus imágenes. Se utilizó una biblioteca de 32 compuestos para almacenar una imagen binaria del dios egipcio Anubis. Se utilizó una biblioteca de 575 compuestos para codificar un dibujo de Picasso de 0,88 megapíxeles de un violín.

La gran cantidad de moléculas disponibles para las bibliotecas químicas también permitió a los investigadores explorar esquemas de codificación alternativos que hicieron que la lectura de datos fuera más robusta. Si bien la espectrometría de masas es muy precisa, no es perfecto. Así como con cualquier sistema utilizado para almacenar o transmitir datos, este sistema necesitará algún tipo de corrección de errores.

"La forma en que diseñamos las bibliotecas y leemos los datos incluye información adicional que nos permite corregir algunos errores, "dijo el estudiante graduado de Brown, Chris Arcadia, primer autor del artículo. "Eso nos ayudó a optimizar el flujo de trabajo experimental y seguir obteniendo índices de precisión de hasta el 99 por ciento".

Aún queda mucho trabajo por hacer para llevar esta idea a una escala útil, dicen los investigadores. Pero la capacidad de crear grandes bibliotecas químicas y usarlas para codificar archivos cada vez más grandes sugiere que el enfoque se puede ampliar.

"Ya no estamos limitados por el tamaño de nuestra biblioteca química, que es realmente importante, ", Dijo Rosenstein." Ese es el mayor paso adelante aquí. Cuando comenzamos este proyecto hace unos años, Tuvimos algunos debates sobre si algo de esta escala era incluso factible experimentalmente. Así que es realmente alentador que hayamos podido hacer esto ".