Een beroemd Japans schilderij is opgeslagen in eiwitmoleculen

Onderzoekers van Harvard en de Northwestern University hebben de negentiende-eeuwse houtsnede De grote golf van Kanagawa van Katsushika Hokusai opgeslagen, door een nieuwe methode met eiwitmoleculen toe te passen.

In de loop der jaren hebben wetenschappers verschillende technieken ontwikkeld om informatie in DNA op te slaan. Als deze technieken volledig ontwikkeld zouden zijn, zou opgeslagen informatie een stuk minder kwetsbaar zijn voor cyberaanvallen of fysieke schade, zoals brand. Maar ondanks de vooruitgang in de wetenschap, blijft het vooralsnog een duur en tijdrovend proces.

Brian Cafferty, een postdoctoraal onderzoeker aan de Whiteside Research Group van Harvard, is de hoofdauteur van het onderzoek met de eiwitmoleculen. Hij zegt dat de methode die door zijn team werd ontwikkeld een stuk goedkoper en minder arbeidsintensief is dan de huidige technieken. “De gehele inhoud van de New York Public Library zou zo opgeslagen kunnen worden in een theelepel aan eiwitmoleculen,” schrijft hij in een persbericht van Harvard.

Cafferty, die zelf een chemicus is, werkte samen met onderzoekers van de Northwestern University. Zij zijn experts op het gebied van automatisering en massaspectrometrie, een techniek die moleculen sorteert op basis van massa, met behulp van ionisatie. Deze onderzoekers hielpen het team van Cafferty om de informatie te lezen en in te voeren.

“We zijn op zoek gegaan naar een strategie die niet direct gebaseerd is op biologie,” vertelt Cafferty aan Motherboard. “In plaats daarvan maakten we gebruik van technieken die normaal gesproken worden gebruikt in de organische en analytische chemie. Vervolgens ontwikkelden we een aanpak waarbij we kleine, lichte moleculen gebruikten om de informatie te coderen.”

Cafferty en zijn team gebruikten om precies te zijn oligopeptiden. Deze moleculen zijn kleiner dan DNA en kunnen sneller worden gesynthetiseerd, wat het proces volgens Cafferty een stuk minder arbeidsintensief maakt.

De massa van deze oligopeptiden kan variëren, afhankelijk van de hoeveelheid peptiden die aan elkaar zijn verbonden.

Om de informatie te verwerken, wordt het vertaald door middel van een 8-bits-code die bekendstaat als de American Standard Code for Information Interchange. Dit houdt in dat ieder teken (nummers, letters, en in het geval van afbeeldingen pixels) vertegenwoordigd wordt door een groep van acht nulletjes en eentjes. Als er een molecuul bespeurd wordt in de informatie verschijnt er een eentje, en als er geen molecuul bespeurd wordt, een nulletje. Daarna worden de oligopeptiden met acht verschillende massa’s gerangschikt op een multititerplaat, een metalen plaatje met een aantal kleine putjes dat de informatie afdrukt en opslaat.

In een persbericht schreef het team: “Een ‘M’ gebruikt bijvoorbeeld vier van de acht mogelijke oligopeptiden, waarvan ieder zijn eigen massa heeft. De vier oligopeptiden in de multititerplaat krijgen een ‘1,’ en de ontbrekende vier krijgen een ‘0.’”

Om de informatie daarna weer op te halen, wordt het plaatje bekeken door een massaspectrometer, die de moleculen op massa rangschikt en weergeeft welke moleculen er wel of niet aanwezig zijn.

Een combinatie van acht oligopeptiden kan met deze methode één byte aan informatie opslaan, en een combinatie van 32 oligopeptiden vier bytes. Het team kan de informatie vervolgens weer ophalen met een nauwkeurigheid van 99,9 procent.

Naast het schilderij van Hokusai hebben Cafferty en zijn team ook een foto opgeslagen van Claude Shannon, die wordt gezien als de voorvader van de informatietheorie. Ook hebben ze een beroemde lezing van natuurkundige Richard Feynman opgeslagen.

Cafferty’s team gebruikte oligopeptiden in hun onderzoek, omdat ze goed leesbaar zijn vanwege hun variërende groottes, maar dit proces kan ook met andere moleculen worden uitgevoerd. Hierna wil Cafferty bijvoorbeeld koolwaterstoffen gebruiken, een groep moleculen die stabieler zijn dan peptiden. Hij geeft echter wel aan dat hij hulp van andere onderzoekers nodig heeft om dit te optimaliseren, zeker voordat het op grotere schaal wordt toegepast.

“Deze benadering lijkt het meest geschikt om onze belangrijkste informatie voor langere tijd op te slaan. Denk aan gegevens die we willen behouden tot lang nadat onze beschaving is verdwenen,” zegt Cafferty. “Maar op een kortere termijn zou het ook bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om gegevens van patiënten in ziekenhuisarchieven langdurig en veilig op te slaan.”