นักวิทยาศาสตร์ได้ซ่อนคีย์เข้ารหัสของข้อความ Wizard of Oz ในโมเลกุลพลาสติก

오스틴에 있는 텍사스 대학의 과학자들은 폴리머에서 <em>พ่อมดแห่งออซ</em> คุณได้เข้ารหัสคีย์เพื่อถอดรหัสข้อความ”/><figcaption class=

ขยาย / นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเทกซัสออสตินถอดรหัสข้อความโดยเข้ารหัสคีย์ พ่อมดแห่งออซ จากพอลิเมอร์

SD Dahlhauser et al., 2022

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเท็กซัสในออสตินได้ส่งจดหมายถึงเพื่อนร่วมงานในแมสซาชูเซตส์ด้วยข้อความลับว่าพวกเขาเป็นคีย์เข้ารหัสเพื่อปลดล็อกไฟล์ข้อความของนวนิยายคลาสสิกของ L. Frank Baum พ่อมดมหัศจรรย์แห่งออซ. การกลับรายการ: คีย์เข้ารหัสถูกซ่อนอยู่ในหมึกโพลีเมอร์พิเศษ พวกเขาอธิบายงานของพวกเขาในบทความล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร ACS Central Science

สำหรับวิธีการอื่นในการจัดเก็บและเรียกข้อมูล เป้าหมายคือการจัดเก็บข้อมูลในรูปแบบที่ทนทานและอ่านง่ายโดยใช้พื้นที่น้อยที่สุด ในบรรดาโพลีเมอร์ DNA เป็นผู้นำในเรื่องนี้มาอย่างยาวนาน ตามที่เรารายงานไปก่อนหน้านี้ DNA มีองค์ประกอบทางเคมีสี่อย่างที่ประกอบกันเป็นประเภทรหัส: อะดีนีน (A), ไทมีน (T), กัวนีน (G) และไซโตซีน (C) ข้อมูลสามารถเก็บไว้ใน DNA ได้โดยการแปลงข้อมูลจากรหัสไบนารีเป็นรหัสควอเทอร์นารีและกำหนดหนึ่งในสี่ตัวอักษร DNA หนึ่งกรัมสามารถแสดงข้อมูลได้เกือบหนึ่งพันล้านเทราไบต์ (หนึ่งเซตตะไบต์) และข้อมูลที่เก็บไว้สามารถเก็บไว้ได้เป็นเวลานานหลายสิบปีหรือหลายร้อยปี

มีการปรับเปลี่ยนวิธีการพื้นฐานสำหรับการจัดเก็บ DNA อย่างชาญฉลาดในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตัวอย่างเช่น ในปี 2019 นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการสร้าง Stanford Rabbit รุ่นพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งเป็นรุ่นทดสอบทั่วไปสำหรับคอมพิวเตอร์กราฟิก 3 มิติ รุ่นนี้บันทึกคำแนะนำการพิมพ์สำหรับการทำซ้ำกระต่าย กระต่ายมีข้อมูลประมาณ 100 กิโลไบต์ ต้องขอบคุณการเพิ่มนาโนบีดที่มี DNA เข้าไปในพลาสติกที่ใช้สำหรับการพิมพ์ 3 มิติ และนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยวอชิงตันเพิ่งใช้ “เครื่องพิมพ์ดีด DNA” เพื่อบันทึกเนื้อเพลง K-Pop ลงในเซลล์ที่มีชีวิตโดยตรง

อย่างไรก็ตาม การใช้ DNA เป็นสื่อในการเก็บรักษาก็เป็นปัญหาเช่นกัน ดังนั้นจึงมีความสนใจอย่างมากในการหาทางเลือกอื่น ปีที่แล้ว นักวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้พัฒนาวิธีการจัดเก็บข้อมูลโดยใช้ส่วนผสมของสีย้อมเรืองแสงที่พิมพ์บนพื้นผิวอีพ็อกซี่ส่วนเล็กๆ ส่วนผสมของสีย้อมในแต่ละจุดจะเข้ารหัสข้อมูลแล้วอ่านข้อมูลภายใต้กล้องจุลทรรศน์เรืองแสง นักวิจัยได้ทดสอบวิธีการนี้โดยบันทึกหนึ่งในเอกสารที่ก้าวล้ำของ Michael Faraday นักฟิสิกส์ในศตวรรษที่ 19 เกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้าและเคมีและภาพ JPEG ของ Faraday

นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ได้สำรวจความเป็นไปได้ของการใช้โพลีเมอร์ที่เป็นสิ่งมีชีวิตเพื่อเก็บข้อมูลโมเลกุล และจัดลำดับโพลีเมอร์ด้วยแมสสเปกโตรเมทรีแบบตีคู่เพื่อถอดรหัส (หรืออ่านออก) ข้อมูลที่เก็บไว้ ในปี 2019 นักวิทยาศาสตร์ของฮาร์วาร์ดประสบความสำเร็จในการสาธิตการจัดเก็บข้อมูลในส่วนผสมของโอลิโกเปปไทด์ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดบนพื้นผิวโลหะโดยไม่ต้องใช้เทคนิคการสังเคราะห์ที่ใช้เวลานานและมีค่าใช้จ่ายสูง

คีย์การเข้ารหัสระดับโมเลกุลถูกฝังอยู่ในหมึก (ภาพซ้าย) ของจดหมาย (ภาพขวา) และส่งไปยังเมล ซึ่งจะถูกวิเคราะห์เพื่อถอดรหัสไฟล์
ขยาย / คีย์การเข้ารหัสระดับโมเลกุลถูกฝังอยู่ในหมึก (ภาพซ้าย) ของจดหมาย (ภาพขวา) และส่งไปยังเมล ซึ่งจะถูกวิเคราะห์เพื่อถอดรหัสไฟล์

ACS วิทยาศาสตร์กลาง 2022/CC BY-NC-ND

เอกสารล่าสุดนี้เน้นที่การใช้พอลิเมอร์ที่กำหนดลำดับ (SDPs) เป็นสื่อบันทึกข้อมูลสำหรับการเข้ารหัสชุดข้อมูลขนาดใหญ่ SDP นั้นเป็นสายโมโนเมอร์ยาวที่สอดคล้องกับหนึ่งใน 16 สัญลักษณ์ Eric Anslyn ผู้เขียนร่วมของ UT กล่าวว่า “เนื่องจากพวกมันเป็นโพลีเมอร์ที่มีคำสั่งเฉพาะมาก หน่วยที่ทำตามคำสั่งนั้นจึงสามารถถ่ายทอดลำดับของข้อมูลได้ เช่นเดียวกับประโยคที่ถ่ายทอดข้อมูลเป็นลำดับของตัวอักษร .” เขากล่าว

อย่างไรก็ตาม โมเลกุลขนาดใหญ่เหล่านี้ไม่สามารถจัดเก็บข้อมูลได้มากเท่ากับ DNA เนื่องจากกระบวนการจัดเก็บข้อมูลมากขึ้นด้วยโมโนเมอร์เพิ่มเติมแต่ละตัวจะไม่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้ยากต่อการค้นหาข้อมูลด้วยเครื่องมือวิเคราะห์ที่มีอยู่ในปัจจุบัน ไม่เห็น ดังนั้นควรใช้ SDP แบบสั้นซึ่งจำกัดปริมาณข้อมูลที่สามารถจัดเก็บต่อโมเลกุลได้ Anslyn และผู้เขียนร่วมของเขาได้ค้นพบวิธีปรับปรุงความจุในการจัดเก็บข้อมูลและทดสอบความเป็นไปได้ของวิธีการนี้

แอนสลินก่อน และคณะ คีย์เข้ารหัส 256 บิตถูกใช้เพื่อเข้ารหัสนวนิยายของ Baum ให้เป็นพอลิเมอร์ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดของกรดอะมิโน ลำดับประกอบด้วยโอลิกอร์เทน 8 ตัว แต่ละโมโนเมอร์ยาว 10 ตัว โมโนเมอร์แปดตัวที่อยู่ตรงกลางถือกุญแจ ในขณะที่โมโนเมอร์ที่ปลายทั้งสองของลำดับทำหน้าที่เป็นตัวยึดสำหรับการสังเคราะห์และถอดรหัส ตัวยึดถูก “พิมพ์ด้วยลายนิ้วมือ” ด้วยฉลากไอโซโทปที่แตกต่างกัน เช่น แท็กฮาโลเจน เพื่อบ่งชี้ตำแหน่งที่ข้อมูลที่เข้ารหัสของโพลีเมอร์แต่ละตัวพอดีในลำดับของคีย์ดิจิทัลสุดท้าย

จากนั้นพวกเขาก็สับพอลิเมอร์ทั้งหมดและใช้การดีพอลิเมอไรเซชันและของเหลวโครมาโตกราฟีแมสสเปกโตรเมตรี (LC/MS) เพื่อ “ถอดรหัส” โครงสร้างดั้งเดิมและคีย์การเข้ารหัส การทดสอบอิสระขั้นสุดท้าย: ผสมโพลีเมอร์ด้วยหมึกพิเศษที่ทำจากไอโซโพรพานอล กลีเซอรอล และเขม่า พวกเขาใช้หมึกเขียนจดหมายถึง James Reuther จาก University of Massachusetts at Lowell ห้องทดลองของ Reuther ได้ปล่อยไฟล์ข้อความโดยแยกหมึกออกจากกระดาษและดึงคีย์การเข้ารหัสแบบไบนารีโดยใช้การวิเคราะห์ตามลำดับเดียวกัน พ่อมดมหัศจรรย์แห่งออซ.

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ห้องทดลองของ Anslyn มีข้อความลับอีกอย่างหนึ่ง (พ่อมดมหัศจรรย์แห่งออซ) ที่ซ่อนอยู่ในโครงสร้างโมเลกุลของหมึก อาจมีวิธีปฏิบัติที่ได้ผลมากกว่าเพื่อให้บรรลุผลสำเร็จ แต่ฉันได้จัดเก็บ 256 บิตใน SDP ได้สำเร็จโดยไม่ต้องใช้เส้นยาว “นี่เป็นครั้งแรกที่มีการจัดเก็บข้อมูลจำนวนมากในพอลิเมอร์ชนิดนี้” แอนสลินกล่าวเสริม “ความก้าวหน้านี้แสดงถึงความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ที่ปฏิวัติวงการในการจัดเก็บและเข้ารหัสข้อมูลระดับโมเลกุล”

Anslyn และเพื่อนร่วมงานเชื่อว่าวิธีการของพวกเขามีประสิทธิภาพเพียงพอสำหรับแอปพลิเคชันการเข้ารหัสในโลกแห่งความเป็นจริง ในอนาคต พวกเขาหวังว่าจะคิดหาวิธีทำให้กระบวนการเขียนและการอ่านเป็นไปโดยอัตโนมัติ

DOI: ACS Central Science, 2022. 10.1021/acscentsci.2c00460 (ข้อมูล DOI)