Forschung -

Daten in Molekülen speichern

Die DNS ist nichts anderes als ein chemischer Datenspeicher. In ähnlicher Weise lassen sich Bits gezielt in Molekülen speichern und wieder abrufen.

Forscher der Brown University, USA, haben erstmals Millionen von Datenbits in molekulare Sequenzen codiert. Statt linearen Strukturen wie die eines Polymers nutzen sie lokal ungeordnete Molekülmischungen. Da sich für eine Skalierung keine Untereinheiten hinzufügen lassen, stellen automatisierte Mehrkomponentenreaktionen, sogenannte Ugi-Reaktionen, größere Bibliotheken dar.

Das neue Verfahren synthetisiert und validiert Tausende von einzigartigen Ugi-Produkten im Nanolitermaßstab pro Tag, ohne dass eine Reinigung der Träger notwendig ist. Es kombiniert die hochauflösende Massenspektrometrie mit überwachtem Lernen und identifiziert, unter anderem über Isotope und Addukte informationstragende Verbindungen. Darüber hinaus haben die Forscher ein Kodierungsschema erstellt, das die Fehlerrate bei nicht-genomischer Datenspeicherung drastisch reduziert. Die verwendeten Techniken lassen sich auf andere skalierbare chemische Bibliotheken übertragen.

Die meisten Forschungsarbeiten zur molekularen Speicherung konzentrieren sich auf langkettige Polymere wie die DNA. Kleinere Moleküle bieten aber einige Vorteile: Sie sind einfacher und billiger herzustellen und haben theoretisch eine höhere Speicherkapazität. Die Forscher verwenden kleine Metallplatten mit 1500 Punkten von weniger als einem Millimeter Durchmesser. Jeder Spot enthält eine Molekülmischung, die je nach Zusammensetzung eine Abfolge von Bits darstellt. Ist beispielsweise ein bestimmtes Molekül nicht enthalten, entspricht dies einer Null an einer bestimmten Stelle des Codes. Die Bibliothek an Molekülen bestimmt also die maximale Anzahl der Bits.

In der vorhergehenden Studie speicherten die Forscher mithilfe von Metaboliten, also Stoffwechselmolekülen, Bilddateien mit einer Größe von einigen Kilobytes. Nun konnten sie den Umfang ihrer Bibliothek durch die Synthese eigener Moleküle erheblich erweitern. Dies ermöglichten Ugi-Reaktionen – eine Technik, die in der pharmazeutischen Industrie häufig zum Einsatz kommt. Dabei kombiniert man vier Reagenzien, ein Amid, ein Aldehyd oder ein Keton, eine Carbonsäure und ein Isocyanid zu einer neuen chemischen Verbindung. Aus den 27 verwendeten Komponenten ergaben sich 1500 verschiedene Teilchen.

Mit einer einfachen Kodierung konnte das Team in einer Demonstration ein Digitalbild mit 24 336 Pixeln auslesen. Allein mit Sodiationsspitzen klassifizierten sie 389 der 512 Komponenten, nach Rundung auf die nächstliegende gültige Mischung stellten sie die Originaldaten mit einer Genauigkeit von 96,67 % wieder her. Das Training eines Regressionsmodells für eine Multipeak-Erkennung reduzierte den Fehler der Rohmischung um das Fünffache, was zu einer Endgenauigkeit von 99,89  % führte.

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