Code phân tử để mã hóa dữ liệu

Hiện nay, khoa học đã đưa bảo mật lên tầm cao mới với lĩnh vực mật mã phân tử, trong đó thông tin được ẩn giấu trong các hệ thống mã hóa phân tử hoặc sinh học. Khi chúng ta tạo ra ngày càng nhiều dữ liệu, dung lượng dữ liệu sẽ nhanh chóng vượt quá khả năng lưu trữ bằng chip silicon, hệ thống lưu trữ dựa trên cơ sở phân tử có tiềm năng mở rộng đến vô hạn dung lượng lưu trữ của nhân loại.

Công nghệ ADN đang là công nghệ hàng đầu với khả năng lưu trữ, xử lý và truyền tải một lượng khổng lồ thông tin, nhưng lại có những hạn chế như số lượng khối cấu trúc tự nhiên hạn chế, khả năng ghi lại thông tin hạn chế, dễ bị suy thoái chức năng và chi phí rất cao.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Ghent, Bỉ trong một bài báo, được công bố trên Tạp chí Advanced Science, đưa ra giải pháp giải quyết những hạn chế trong việc lưu trữ thông tin bằng công nghệ ADN, sử dụng các đại phân tử tổng hợp (polymer sinh học) như một phương pháp thay thế cho mã hóa dữ liệu.

Mặc dù có nhiều giải pháp được phát triển trong những năm gần đây để lưu trữ thông tin trên các đại phân tử nhân tạo, mã hóa dữ liệu vẫn là một vấn đề quan trọng trong quản lý dữ liệu phân tử tương lai. 

Để thực hiện giải pháp mã hóa dữ liệu, nhóm khoa học tạo ra một quy trình viết mã PIN phân tử bằng cách sử dụng hàng loạt khối cấu trúc phân tử, có thể lắp ráp thành nhiều tổ hợp khác nhau. Bằng một thuốc thử đặc biệt, nhóm nghiên cứu làm thay đổi bản chất mối liên kết giữa các đơn phân tử (monome), khiến trình tự trở thành liên kết thuận nghịch về nhiệt - khi dãy PIN bị nóng lên, trình tự dễ dàng bị phá vỡ.

Các thành phần đơn phân tử cụ thể trong phản ứng được chỉ định số từ một đến bốn (số cho mã PIN) và được liên kết với các dấu phân tử hoặc dấu hiệu có thể dễ dàng xác định bằng cách sử dụng phân tích khối lượng phân tử. Các nhãn phân tử rất quan trọng đối với việc đọc do mỗi phân tử mang một mẫu đồng vị riêng biệt đánh dấu vị trí của chữ số trong dãy khi phân tích khối lượng phân tử .

Thông qua quy trình hai bước lặp đi lặp lại, nhóm nghiên cứu có thể trên phương diện hóa học viết mã PIN dạng số, 1-2-3-4 với các vị trí của số có thể nhận dạng được nhờ dấu hiệu được chỉ định A-B-C-D. Sau khi tạo thành, mã PIN được gia nhiệt để phá vỡ và xáo trộn, khi hỗn hợp nguội đi, sự kết hợp giữa các số PIN theo một thứ tự hoàn toàn ngẫu nhiên.

Để thu lại thông tin được mã hóa, trình tự xáo trộn đã được làm nóng với sự hiện diện của bẫy phân tử - tạo thành các phân tử monome tách rời nhau. Các phân tử monome cô lập được xác định dễ dàng, sử dụng phân tích khối lượng phân tử và mã gốc dựa trên dấu vết đính kèm của monome, từ đó thu lại được mã PIN ban đầu.

Sơ đồ tổng quan về mã hóa và giải mã các mã PIN đại phân tử.

Việc sử dụng bốn isocyanide (hợp chất hữu cơ) khác nhau (số PIN phân tử) cho phép tạo ra 4^4 (256) sự kết hợp khả thi, chuyển thành dung lượng lưu trữ nhỏ 8 bit.

Chiến lược này có thể dễ dàng mở rộng sang hàng loạt các hợp chất isocyanide khác, do đó mở rộng số lượng chữ số mã hóa, tăng lượng hoán vị có thể có lên n^4.

Việc triển khai công nghệ hóa cộng hóa trị có độ tin cậy cao, năng động trong các đại phân tử được xác định theo trình tự là một tiến bộ quan trọng trong sự phát triển công nghệ mã hóa và giải mã thế hệ tiếp theo.