A gravação de dados moleculares se aproximou um pouco

Cedo ou tarde, novos tipos de mídia de armazenamento substituirão discos rígidos e SSDs, o que é sugerido pelo crescimento exponencial dos volumes de informações. Para fazer isso, os cientistas já estão lutando com os problemas de gravação no nível molecular, e há certos sucessos nessa direção.

Um grupo de cientistas da Brown University (EUA) informou sobre o progresso no desenvolvimento de métodos para registrar e ler dados em nível molecular. Os dados do estudo são publicados na Nature Communications (o artigo está disponível para leitura gratuita em inglês). Em uma série de experimentos, os cientistas gravaram, salvaram e depois leram arquivos digitais com imagens codificadas do deus egípcio Anúbis, uma imagem abstrata do violino Picasso e outras imagens com um volume total de 200 KB.
Esta não é a primeira tentativa de codificar dados usando um conjunto de moléculas, mas, neste caso, os cientistas decidiram não esperar pela misericórdia da natureza. Antes desse experimento, os cientistas usavam compostos químicos conhecidos (moléculas) e criavam misturas a partir deles – dessa maneira, os dados de entrada eram codificados. Os dados são lidos usando uma análise seqüencial das misturas por um espectrômetro de massa. Em seguida, um programa de computador converte o resultado em uma imagem ou texto. Uma abordagem semelhante foi limitada a um conjunto de pequenas moléculas conhecidas pelos químicos. E quanto menores as moléculas, menos possibilidades de codificação, por exemplo, em termos de profundidade de bits.
Cientistas da Universidade Brown sintetizaram seus próprios conjuntos de moléculas – bibliotecas para codificação de dados. O truque era aprender com compostos simples e sem reações complexas para criar rapidamente bibliotecas de moléculas simples que um espectrômetro de massa poderia identificar com a máxima precisão.
Para a síntese de pequenas moléculas, foi escolhida a chamada reação Ugi – esta é uma reação combinatória multicomponente usando quatro componentes: ácido carboxílico, amina, aldeído (cetona) e isocianeto. Esta reação é amplamente utilizada em produtos farmacêuticos e é uma ferramenta confiável para a síntese de compostos. Cinco aminas, cinco aldeídos, 12 ácidos carboxílicos e cinco isocianetos foram utilizados para criar bibliotecas de moléculas em várias combinações. No total, os cientistas foram capazes de criar até 1.500 compostos.
A vantagem aqui é a potencial escalabilidade da biblioteca. Usando um total de 27 componentes diferentes, em um dia, os cientistas criaram uma biblioteca de 1.500 moléculas e não precisaram procurar nenhuma molécula única para isso.
Para codificar cada imagem usou suas próprias bibliotecas na forma de um conjunto único de moléculas. Para gravar imagens do Anubis, por exemplo, a biblioteca continha 32 componentes. Para codificar um desenho de Picasso de 0,88 megapixel, foi utilizada uma biblioteca de 575 conexões.
Tecnicamente, a gravação foi a seguinte. Os dados foram codificados em uma mistura de moléculas que foram colocadas em pequenas covinhas com um diâmetro menor que um milímetro em pequenas placas de ferro. Em cada buraco (gota) de moléculas únicas pode haver tantas quanto na biblioteca. Por exemplo, no caso máximo – 1500, mas ainda não é possível contar todos de maneira confiável nessa combinação. No entanto, isso nos permite julgar a profundidade de bits de cada mistura, e é limitada apenas pelo tamanho da biblioteca. Em seguida, cada mistura é lida por um espectrômetro de massa, as moléculas são identificadas e os dados recebidos são descriptografados.

Para o método apresentado, os cientistas tiveram que desenvolver algoritmos de correção de erros. O método desenvolvido tornou possível identificar moléculas com uma precisão de 99%. O método se mostrou confiável, mas a pesquisa precisa ser continuada.
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