カスタム合成した小分子を含む混合物に画像ファイルを保存したことは、分子データストレージにおける画期的な成果であると研究者らは報告しています。
研究者らは合計で200キロバイトを超えるデータを保存しましたが、これは小分子を用いた保存としてこれまでで最大量だと述べています。従来型のストレージ手段と比べれば決して多い量ではありませんが、小分子ストレージの分野では大きな前進だとしています。
「独自の小分子の数が多いこと、保存できるデータ量、そしてデータ読み出しの信頼性は、これをさらに大規模化できる実質的な可能性を示しています」と、共著者でブラウン大学工学部助教授のジェイコブ・ローゼンスタイン氏は述べています。
増え続けるデータ
データの宇宙は拡大を続けており、研究者らはより新しく、よりコンパクトなストレージ手段を探求しています。データを分子にエンコードすることで、わずか数ミリメートルの空間にテラバイト級のデータに相当する量を保存できる可能性があります。
分子ストレージに関する研究の多くは、長鎖ポリマーに焦点を当ててきました。例えば DNAは、生物学的データの担い手としてよく知られています。しかし、長いポリマーではなく小分子を用いることには、潜在的な利点があります。小分子は合成DNAよりも製造が容易で安価である可能性があり、理論上はさらに高い保存容量を持ちます。
研究者らは、小分子によるデータストレージを実現可能かつ拡張可能なものにする方法を模索してきました。
データを保存するために、研究チームは直径1ミリメートル未満の微小なスポットが1,500個並んだ小さな金属プレートを使用しています。各スポットには分子の混合物が含まれています。混合物中の異なる分子の有無がデジタルデータを示します。各混合物のビット数は、混合に使用可能な異なる分子のライブラリの大きさまで増やすことができます。その後、質量分析計を用いてデータを読み出すことができ、質量分析計は各ウェルに存在する分子を特定できます。
昨年発表された論文では、昨年、研究チームは、生物が代謝を調節するために用いる分子である一般的な代謝物を使って、キロバイト規模の画像ファイルを保存できることを示していました。
今回の新しい研究では、研究者らは独自の分子を合成することで、ライブラリの規模—そしてそれによってエンコードできるファイルのサイズ—を大幅に拡大することができました。
分子データストレージの規模拡大
研究チームは、Ugi反応を用いて分子を作製しました。Ugi反応は、多数の異なる化合物を素早く製造するために製薬業界でよく用いられる手法です。Ugi反応では、4つの大分類の試薬（アミン、アルデヒドまたはケトン、カルボン酸、イソシアニド）を組み合わせて、1つの新しい分子を生成します。
各分類から異なる試薬を用いることで、研究者らは多様な異なる分子を素早く製造することができました。今回の研究では、研究チームは5種類のアミン、5種類のアルデヒド、12種類のカルボン酸、5種類のイソシアニドを異なる組み合わせで用い、1,500種類の異なる化合物を作製しました。
「ここでの利点は、ライブラリの潜在的な拡張性です」とルーベンスタイン氏は述べています。「わずか27種類の成分を使って、1日で1,500分子のライブラリを作製できます。つまり、1,500種類の独自の分子を探し出す必要はないのです。」
そこから研究チームは、化合物のサブライブラリを用いて画像をエンコードしました。エジプトの神アヌビスの二値画像を保存するために32化合物のライブラリを用い、ヴァイオリンを描いた0.88メガピクセルのピカソのドローイングをエンコードするために575化合物のライブラリを用いました。
化学ライブラリで利用可能な分子の数が多いことから、研究者らはデータの読み出しをより頑健にする別のエンコード方式も検討することができました。質量分析法は非常に高精度ですが、完全ではありません。そのため、データの保存や伝送に用いられる他のシステムと同様に、このシステムにも何らかの形の誤り訂正が必要になります。
「ライブラリの設計方法やデータの読み出し方法には、一部の誤りを訂正できる追加情報が含まれています」と、筆頭著者で大学院生のクリス・アルカディア氏は述べています。「それによって実験のワークフローを効率化でき、それでも最大99%の精度を達成できました。」
このアイデアを実用的な規模にするには、まだ多くの作業が必要だと研究者らは述べています。しかし、大規模な化学ライブラリを作成し、それを用いてますます大きなファイルをエンコードできる能力は、このアプローチが実際に規模を拡大できることを示唆しています。
「化学ライブラリのサイズに制限されなくなったことは、非常に重要です」とローゼンスタイン氏は述べています。「ここでの最大の前進はそこにあります。数年前にこのプロジェクトを始めたとき、この規模のものが実験的に実現可能かどうかについて議論もありました。ですから、これを実現できたことは本当に励みになります。」
この研究は、Nature Communicationsに掲載されました。本研究の資金は、DARPAおよび米国国立科学財団から提供されました。
出典：ブラウン大学
