Hihetetlen: egy teáskanálban elfér egy könyvtár a molekuláris tárolással

A felhő hálózati szerkezete számítógépes grafikán

Sokszor úgy tűnik, nincs, ami lépést tudna tartani az emberiség által termelt információözönnel. Egyszer a felhő is betelik, és a fenntartása addig is rengeteg energiát emészt fel. A Harvard kutatói kémiai formába kódolnák az adatokat, így könyvtárnyi információ férne el egy teáskanálban, nulla energiafogyasztással.

Jogos lehet az a szorongásunk, hogy féltett információink sehol sincsenek végleges biztonságban. A könyvek eléghetnek, a számítógépeket meghekkelhetik, a DVD-k idővel tönkremennek. Hiába fejlődött az információtárolás technológiája, hiába követte a papírra nyomtatott betűt a mágneslemez, majd az optikai lemez, vagy akár a DNS-be kódolás, az adatok épségét megannyi veszély fenyegeti – az egészen triviálisaktól, mint a víz, az egészen agyafúrtakig, mint egy kibertámadás.

Márpedig az emberiség által termelt adatözön nemhogy apadna, de egyre csak árad. Nyilván enyhítő körülmény, hogy egyre több információt tudunk egyre kisebb helyre zsúfolni. Ugyanakkor a felhő – noha a neve valamiféle ködös végtelent sejtet – nem bővíthető minden határon túl, ráadásul vonzó célpontot kínál a hekkerek számára, és zabálja az energiát.

A felhő hálózati szerkezete számítógépes grafikán Forrás: Science Photo Library/NOBEASTSOFIERCE/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Nobeastsofierce/Science Photo Li

Ezért nagyon is időben érkezik a javaslat a Harvard Egyetem kutatóitól egy olyan információtárolási megoldásra, amely

akár évmilliókig stabilan tudná őrizni az adatokat, teljesen kívül esik a hekkelhető kibertéren, és egyszeri létrehozása után zéró energiát fogyaszt.

Nem is kell hozzá más, mint egy vegyész, néhány olcsó alapvegyület, meg persze a tárolni való értékes információ.

Képzeljék csak el, hogy a New York-i Közkönyvtár teljes anyagát egyetlen teáskanálnyi fehérjébe sűrítjük

– érzékelteti a megoldás hatékonyságát Brian Cafferty, az új technológiát ismertető közlemény írója. – „A jelen pillanatban még nem gondoljuk, hogy ez a módszer versengene az adattárolás pillanatnyilag alkalmazott módozataival. Inkább úgy tekintünk rá, mint azok kiegészítőjére, és első megközelítésben az archivált adatok hosszú távú megőrzésére szeretnénk alkalmassá tenni.” Cafferty a Harvard Egyetemen George Whitesides laboratóriumának posztdoktori munkatársa, aki a kutatást a Northwestern Universityn dolgozó Milan Mrksichcsel és kollégáival együttműködésben végezte.

Cafferty kémiai eljárása nem a felhő helyét hivatott átvenni, de izgalmas alternatívát kínál a DNS-hez hasonló biológiai adattárolókkal szemben.

A kutatók csak nemrégiben kezdték a DNS-t eredeti biológiai funkciójától eltérő adatfajták tárolására használni. Genetikai információnk hű őrzője a tudósok keze között most már a legkülönfélébb adatok hordozójává képes átlényegülni: belekódoltak már a cicás videóktól kezdve az étrendi tanácsadókon át a szakácskönyvekig mindenfélét.

DNS-adattároló (illusztráció) Forrás: Science Photo Library/KTSDESIGN/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Ktsdesign/Science Photo Library

Azonban a DNS, még ha a számítógépes chipekhez képest parányi is, a molekulák világában óriásnak számít, ráadásul a szintézise szakképzettséget igénylő, ugyanakkor elég repetitív munka. Ha minden tárolni kívánt adatdarabkát egyedileg kell tervezni és létrehozni, a makromolekuláris adattárolás könnyen hosszadalmas és költséges mulatsággá válhat.

„Mi olyan stratégiával kísérleteztünk, amely nem közvetlenül a biológiából merít ihletet – magyarázza Cafferty. – Inkább a szerves és analitikai kémiából kölcsönöztünk ott bevett technikákat, és a felhasználásukkal olyan eljárást fejlesztettünk ki, amely kis méretű, alacsony molekulatömegű molekulákba kódolja az információt.”

A Harvard csoportja egyetlen ülésben annyi kismolekulát tud szintetizálni, amennyibe több cicás videó is belefér, így a módszerük kevésbé munka- és költségigényes a DNS-en alapulónál.

A csoport az információtárolás céljára az oligopeptideket szemelte ki.

Ezek a kis molekulák a fehérjékhez hasonlóan egymáshoz kapcsolt aminosavakból állnak, ám míg a fehérjék jellemzően több száz aminosavat tartalmaznak, az oligopeptidek csak néhányat. Az oligopeptidek vegyész-szemmel nézve igen szimpla molekulák, amelyek kisebbek és stabilabbak is, mint akár a DNS és az RNS, akár a rendes fehérjék.

Az egyes oligopeptidek eltérő tömegűek attól függően, hogy milyen és mennyi aminosavból állnak. Ezért, ha összekeverjük is őket, tömeg szerint megkülönböztethetők maradnak, akárcsak alak szerint a betűtészták a levesben.

Egy oligopeptid illusztrációja Forrás: Profacgen

Hogy az oligopeptidek mint betűk miként adjanak ki szavakat, ahhoz már kis agyafúrtság szükségeltetik. Az oligopeptidek különböző keverékeit egy 384-lyukú mikroplate-be töltik. A mikroplate egy szabványos laboratóriumi műanyagáru, amely leginkább egy tüskejáték játéktáblájához hasonlít: lapos téglatest, a felszínén sok – jelen esetben 384 – apró mélyedéssel.

Az oligopeptid-keverékekkel úgy lehet „írni”, hogy a megfelelő mélyedésből kivesznek egy apró folyadékcseppet, és azt egy fém felszínére csöppentik rá, ahol rögtön odaszárad. Ez a lépés felel meg a betűk nyomtatásának.

Azt pedig, hogy melyik peptidkeverék melyik betűt jelöli, egy ötletes bináris kód határozza meg. Képzeljük el, hogy nyolcféle oligopeptid mindegyike egy bájt valamelyik bitjének felel meg. Azzal, hogy a nyolcféle peptid valamelyikét beleteszik-e a keverékbe (bináris 1), vagy nem (bináris 0), egy egész nyolcbites számot, vagyis összesen 256-féle karaktert le tudnak kódolni. Ha vissza akarják olvasni az írott szöveget, a fémfelszínre szárított peptidkeverékeket egy tömegspektométerrel elemzik, ami minden betűhelyről megmondja, melyik peptid volt ott, és melyik nem – vagyis visszafejti az odakódolt betűt.

Valójában persze a tömegspektrométer 8-nál sokkal többféle oligopeptidet meg tud különböztetni: 32-félével már egyszerre 4 bájtnyi, többel meg még több információt lehet egyetlen betűbe sűríteni.

Cafferty és csoportja a módszer működőképességének bemutatására sikeresen „kiírta” és „visszaolvasta” a legendás fizikus, Richard Feynman egyik előadását, az információelmélet atyjaként tisztelt Claude Shannon fényképét, valamint Hokuszai japán mester „A nagy hullám Kanagavánál” című híres fametszetét. Mivel a becslések szerint az emberiség összes tárolt adatmennyisége 2020-ra eléri a 44 trillió gigabájtot, az árhullámra emlékeztető kép választása szimbolikusnak is tekinthető.

Hokuszai: A nagy hullám Kanagavánál Forrás: Photo12/Photo12/Ann Ronan Picture Library/Ann Ronan Picture Library

A kísérleti technika jelen állapotában 99.9% százalékos pontossággal olvassa vissza a kiírt adatokat. Az írási sebesség 8 bit másodpercenként, az olvasási sebesség 20 bit másodpercenként. Bár ez az írási sebesség messze meghaladja azt, ami a DNS-sel elérhető, az olvasási sebesség terén a DNS egyelőre lekörözi az oligopeptideket, de a peptides technológia továbbfejlesztésével bizonyára az adatátviteli sebességek is nőni fognak. Egy tintasugaras nyomtató például másodpercenként 1000 cseppet is elő tud állítani, és kisebb helyre több információt képes zsúfolni. A tömegspektrométerek újabb generációi pedig a visszaolvasást gyorsíthatják majd fel.

A csoport azzal számol, hogy nemcsak a sebességet tudják majd feltornászni, de más molekulaosztályok bevonásával a kémiai információtárolás stabilitásán, költségein és kapacitásán is tudnak javítani. A jelen munkában használt oligopeptidek egyediek, ezért gyártásuk viszonylag drága.

Azonban a jövőbeni kémiai könyvtáralapítók már olyan olcsó molekulákból válogathatnak majd, mint például az alkántiolok, amelyek segítségével egyetlen centnyi áron akár 100 millió bit információ is rögzíthető.

Ami a stabilitást illeti, már az oligopeptidek sem teljesítenek rosszul.

„Megfelelő körülmények között tárolva az oligopeptidek több száz, sőt, akár több ezer évig változatlanul megőrződnek” – állítják a szerzők, hozzátéve: ezek a strapabíró molekulák nem igényelnek sem fényt, sem oxigént, eltűrik a hőt és a szárazságot. Ami szintén nem lényegtelen: egy kémiai könyvtár tartalmához semmilyen hekker nem férhet hozzá az otthona kényelmes rejtekéből. A molekulárisan tárolt információ visszaolvasásához fizikailag jelen kell lenni, és még ha illetéktelen kezekbe kerülne is egy információhordozó fémtábla, nem kis kémiai tudás kell az írás megfejtéséhez. Végezetül: a molekuláris információtárolás az adattár létrehozása után nulla energiát igényel, ami hatalmas előny az energiazabáló elektronikus megoldásokhoz képest.