SD Dahlhauser et al., 2022
Científicos de la Universidad de Texas en Austin enviaron una carta a sus colegas de Massachusetts con un mensaje secreto: una clave de cifrado para desbloquear un archivo de texto de la novela clásica de L. Frank Baum El maravilloso mago de Oz. El giro: la clave de cifrado estaba oculta en una tinta especial mezclada con polímeros. Describieron su trabajo en un artículo reciente publicado en la revista ACS Central Science.
Cuando se trata de medios alternativos para el almacenamiento y recuperación de datos, el objetivo es almacenar datos en la menor cantidad de espacio en un formato duradero y legible. Entre los polímeros, el ADN ha sido durante mucho tiempo el favorito en ese sentido. Como informamos anteriormente, el ADN tiene cuatro componentes químicos básicos: adenina (A), timina (T), guanina (G) y citosina (C), que constituyen un tipo de código. La información se puede almacenar en el ADN convirtiendo los datos de un código binario a un código de base 4 y asignándole una de las cuatro letras. Un solo gramo de ADN puede representar casi mil millones de terabytes (1 zettabyte) de datos. Y los datos almacenados se pueden conservar durante largos períodos, décadas o incluso siglos.
Ha habido algunos giros inventivos en el método básico para el almacenamiento de ADN en los últimos años. Por ejemplo, en 2019, los científicos fabricaron con éxito una versión impresa en 3D del conejito de Stanford, un modelo de prueba común en gráficos por computadora en 3D, que almacenaba las instrucciones de impresión para reproducir el conejito. El conejito contiene alrededor de 100 kilobytes de datos, gracias a la adición de nanoesferas que contienen ADN al plástico utilizado para imprimirlo en 3D. Y los científicos de la Universidad de Washington grabaron recientemente letras de canciones de K-Pop directamente en células vivas utilizando una «máquina de escribir de ADN».
Pero usar el ADN como medio de almacenamiento también presenta desafíos, por lo que también hay un gran interés en encontrar otras alternativas. El año pasado, científicos de la Universidad de Harvard desarrollaron un enfoque de almacenamiento de datos basado en mezclas de tintes fluorescentes impresos en una superficie epoxi en puntos diminutos. La mezcla de tintes en cada punto codifica información que luego se lee con un microscopio fluorescente. Los investigadores probaron su método almacenando uno de los artículos fundamentales del físico del siglo XIX Michael Faraday sobre electromagnetismo y química, así como una imagen JPEG de Faraday.
Otros científicos han explorado la posibilidad de utilizar polímeros no biológicos para el almacenamiento de datos moleculares, descodificando (o leyendo) la información almacenada secuenciando los polímeros con espectrometría de masas en tándem. En 2019, los científicos de Harvard demostraron con éxito el almacenamiento de información en una mezcla de oligopéptidos disponibles comercialmente en una superficie metálica, sin necesidad de técnicas de síntesis costosas y que requieren mucho tiempo.
Ciencia central de la AEC 2022/CC BY-NC-ND
Este último documento se centró en el uso de polímeros definidos por secuencia (SDP) como medio de almacenamiento para cifrar un gran conjunto de datos. Los SDP son básicamente cadenas largas de monómeros, cada uno de los cuales corresponde a uno de los 16 símbolos. «Debido a que son un polímero con una secuencia muy específica, las unidades a lo largo de esa secuencia pueden transportar una secuencia de información, al igual que cualquier oración lleva información en la secuencia de letras», dijo a New Scientist el coautor Eric Anslyn de UT.
Pero estas macromoléculas no pueden almacenar tanta información como el ADN, según los autores, ya que el proceso de almacenar más datos con cada monómero adicional se vuelve cada vez más ineficiente, lo que hace que sea extremadamente difícil recuperar la información con la cosecha actual de instrumentos analíticos disponibles. Por lo tanto, se deben usar SDP cortos, lo que limita la cantidad de datos que se pueden almacenar por molécula. Anslyn y sus coautores descubrieron una forma de mejorar esa capacidad de almacenamiento y probaron la viabilidad de su método.
primero anslyn et al. usó una clave de cifrado de 256 bits para codificar la novela de Baum en un material polimérico compuesto por aminoácidos disponibles comercialmente. Las secuencias estaban compuestas por ocho oligouretanos, cada uno de 10 monómeros de largo. Los ocho monómeros del medio tenían la clave, mientras que los monómeros en cada extremo de una secuencia servían como marcadores de posición para la síntesis y la decodificación. Los marcadores de posición se «tomaron huellas dactilares» utilizando diferentes etiquetas de isótopos, como etiquetas de halógeno, que indicaban dónde encajaba la información codificada de cada polímero dentro del orden de la clave digital final.
Luego mezclaron todos los polímeros y utilizaron la despolimerización y la cromatografía líquida-espectrometría de masas (LC/MS) para «descifrar» la estructura original y la clave de cifrado. La prueba independiente final: mezclaron los polímeros en una tinta especial hecha de isopropanol, glicerol y hollín. Usaron la tinta para escribir una carta a James Reuther en la Universidad de Massachusetts, Lowell. Luego, el laboratorio de Reuther extrajo la tinta del papel y usó el mismo análisis secuencial para recuperar la clave de encriptación binaria, revelando el archivo de texto de El maravilloso mago de Oz.
En otras palabras, el laboratorio de Anslyn escribió un mensaje (la carta) que contenía otro mensaje secreto (El maravilloso mago de Oz) escondido en la estructura molecular de la tinta. Puede haber formas más pragmáticas de lograr la hazaña, pero almacenaron con éxito 256 bits en los SDP, sin usar hebras largas. «Esta es la primera vez que se almacena tanta información en un polímero de este tipo», dijo Anslyn, y agregó que el avance representa «un avance científico revolucionario en el área del almacenamiento de datos moleculares y la criptografía».
Anslyn y sus colegas creen que su método es lo suficientemente sólido para las aplicaciones de encriptación del mundo real. En el futuro, esperan descubrir cómo automatizar robóticamente los procesos de escritura y lectura.
DOI: ACS Central Science, 2022. 10.1021/acscentsci.2c00460 (Acerca de los DOI).