Tổng cộng, các nhà nghiên cứu đã lưu trữ hơn 200 kilobyte dữ liệu mà theo họ là lưu trữ nhiều nhất cho đến nay bằng cách sử dụng các phân tử nhỏ. Đó chưa phải là con số đáng kể khi so với các phương tiện lưu trữ truyền thống, nhưng đó cũng đã là một tiến bộ lơn về mặt lưu trữ phân tử nhỏ.
“Một số lượng lớn các phân tử nhỏ riêng biệt, lượng dữ liệu chúng ta có thể lưu trữ và độ tin cậy của việc đọc dữ liệu cho thấy lời hứa thực sự cho việc nhân rộng điều này hơn nữa”, đồng tác giả Jacob Rosenstein, một giáo sư trợ lý tại Trường Kỹ thuật tại Đại học Brown nói.
Ngày càng nhiều dữ liệu
Khi vũ trụ dữ liệu tiếp tục mở rộng, các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm kiếm các phương tiện lưu trữ mới nhỏ gọn hơn. Bằng cách mã hóa dữ liệu trong các phân tử, có thể lưu trữ thông tin ở dung lượng terabyte chỉ trong một vài milimet không gian.
Hầu hết các nghiên cứu về lưu trữ phân tử đã tập trung vào các polyme chuỗi dài như DNA, chất mang dữ liệu sinh học phổ biến. Tuy nhiên cũng có những lợi thế tiềm năng để sử dụng các phân tử nhỏ trái ngược với các polyme dài. Các phân tử nhỏ có khả năng sản xuất dễ dàng hơn và rẻ hơn so với DNA tổng hợp và trên lý thuyết có khả năng lưu trữ cao hơn.
Các nhà nghiên cứu đã làm việc để tìm ra cách làm cho việc lưu trữ dữ liệu phân tử nhỏ trở nên khả thi và có thể mở rộng.
Để lưu trữ dữ liệu, nhóm nghiên cứu sử dụng các tấm kim loại nhỏ được sắp xếp với 1.500 điểm nhỏ có đường kính nhỏ hơn một milimet. Mỗi điểm chứa hỗn hợp các phân tử. Sự hiện diện hay vắng mặt của các phân tử khác nhau trong mỗi hỗn hợp chỉ ra dữ liệu số. Số lượng bit trong mỗi hỗn hợp có thể lớn bằng thư viện các phân tử riêng biệt có sẵn để trộn. Dữ liệu sau đó có thể được đọc ra bằng máy khối phổ, có thể xác định các phân tử có trong mỗi giếng.
Trong một bài báo từ năm ngoái, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng họ có thể lưu trữ các tệp hình ảnh trong phạm vi kilobyte bằng cách sử dụng một số chất chuyển hóa phổ biến, các phân tử mà sinh vật sử dụng để điều chỉnh quá trình trao đổi chất.
Đối với công việc mới này, các nhà nghiên cứu đã có thể mở rộng đáng kể kích thước của thư viện và do đó kích thước của các tệp mà họ có thể mã hóa bằng cách tổng hợp các phân tử của riêng họ.
Mở rộng lưu trữ dữ liệu phân tử
Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các phân tử của họ bằng cách sử dụng các phản ứng Ugi. Một kỹ thuật thường được sử dụng trong ngành dược phẩm để nhanh chóng tạo ra số lượng lớn các hợp chất khác nhau. Phản ứng Ugi kết hợp bốn loại thuốc thử chung (amin, aldehyd hoặc ketone, axit cacboxylic và isocyanide) thành một phân tử mới.
Bằng cách sử dụng các thuốc thử khác nhau từ mỗi lớp, các nhà nghiên cứu có thể nhanh chóng tạo ra một loạt các phân tử riêng biệt. Đối với công việc này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng năm loại amin khác nhau, năm aldehyd, 12 axit cacboxylic và năm isocyanide trong các kết hợp khác nhau để tạo ra 1.500 hợp chất riêng biệt.
“Ưu điểm ở đây là khả năng mở rộng tiềm năng của thư viện”, theo ông Rubstein. “Chúng tôi chỉ sử dụng 27 thành phần khác nhau để tạo ra một thư viện 1.500 phân tử trong một ngày. Điều đó có nghĩa là chúng tôi không còn phải đi ra ngoài và tìm 1.500 phân tử riêng biệt”.
Từ đó, nhóm đã sử dụng các thư viện phụ của các hợp chất để mã hóa những hình dung của họ. Họ đã sử dụng một thư viện gồm 32 hợp chất để lưu trữ hình ảnh nhị phân của vị thần Ai Cập Anubis. Và họ đã sử dụng một thư viện gồm 575 hợp chất để mã hóa bản vẽ 0,88 megapixel một cây vĩ cầm của Picasso.
Số lượng lớn các phân tử có sẵn cho các thư viện hóa học cũng cho phép các nhà nghiên cứu khám phá các sơ đồ mã hóa thay thế làm cho việc đọc dữ liệu mạnh mẽ hơn. Mặc dù khối phổ rất chính xác, nhưng nó không hoàn hảo. Vì vậy, như với bất kỳ hệ thống nào được sử dụng để lưu trữ hoặc truyền dữ liệu, hệ thống này sẽ cần một số hình thức sửa lỗi.
“Cách mà chúng tôi thiết kế các thư viện và đọc dữ liệu bao gồm thông tin bổ sung cho phép chúng tôi sửa một số lỗi”, chuyên gia đầu tiên Chris Arcadia, một sinh viên đã tốt nghiệp cho biết. “Điều đó đã giúp chúng tôi hợp lý hóa quy trình làm việc thử nghiệm và vẫn có được tỷ lệ chính xác cao tới 99%”.
Các nhà nghiên cứu cho biết vẫn còn nhiều việc phải làm để đưa ý tưởng này lên một quy mô hữu ích. Nhưng khả năng tạo các thư viện hóa học lớn và sử dụng chúng để mã hóa các tệp lớn hơn bao giờ cho thấy cách tiếp cận thực sự có thể mở rộng.
“Nói chung, chúng tôi không còn bị giới hạn bởi quy mô của thư viện hóa học, điều này thực sự quan trọng”, theo ông Rosstein. “Đây là bước tiến lớn nhất ở đây. Khi chúng tôi bắt đầu dự án này vài năm trước, chúng tôi đã có một số cuộc tranh luận về việc liệu thứ gì đó ở quy mô này thậm chí có khả thi về mặt thực nghiệm hay không. Vì vậy, nó thật sự khuyến khích rằng chúng tôi đã có thể làm điều này”.
Nghiên cứu xuất hiện trên tạp chí Nature Communications. Tài trợ cho công việc đến từ DARPA và Quỹ khoa học quốc gia.