Polimer mliječne kiseline – za spremanje bitova i bajtova

Kako napraviti polimer u čijim su molekulama zapisane informacije u binarnom kodu? Odgovor nudi poluautomatska sinteza kopolimera mliječne i glikolne kiseline.

Nenad Raos subota, 19. ožujka 2022. u 06:00

Molekula je sitna, ali je njezina sitnoća bitna. Koliko sitna? Najbolju predodžbu sitnoće molekula daje osnovna jedinica za množinu tvari, a to je mol. Masa mola ovisi o masi molekule, no usporediva je s masom tuceta jaja. No dok u tucetu jaja ima – razumije se – 12 jaja, u molu bilo koje tvari ima Avogadrov broj molekula, a taj je broj neusporedivo veći od dvanaest. Avogadrov broj iznosi naime 6,022·1023, dakle 6 i 23 ništica iza toga ili pola bilijuna bilijuna. Toliko molekula ima u 342 grama šećera.

Zamisao da bi se molekule zbog svoje sitnoće mogle iskoristiti za pohranu informacija nije nova. Upravo na taj način priroda zapisuje informacije četveroznačnim kodom (C, G, T, A) u molekule DNA, pa su mnoga istraživanja krenula u tom smjeru. Za pohranu dva bita u molekulu DNA treba osigurati masu od prosječno 309 Da, gdje je Da (dalton) masa vodikova atoma. No, postoji li jednostavniji način zapisivanja podataka u molekule?

Postoji. O tome svjedoči postupak američkih i korejskih znanstvenika nedavno objavljen u časopisu Science pod naslovom „Semiautomated synthesis of sequence-defined polymers for information storage“, no iz naslova se ne vidi kakvi su to „polimeri definirane sekvencije“ (of sequence-defined polymers) koji se priređuju „poluautomatskom sintezom“ (semiautomated synthesis).

Riječ je od kopolimeru dvije vrlo slične alfa-hidroksi kiseline, mliječne (L) i glikolne (G), PLGA. Formula mliječne kiseline je HOCH(CH3)COOH, a glikolne HOCH2COOH, što znači da se razlikuju samo za metilnu skupinu. Kako i jedna i druga kiselina imaju hidroksilnu skupinu, -OH, molekule se mogu povezivati esterskom vezom. PLGA je dakle poliester promjenjivog sastava, ili – bolje rečeno – promjenjivog redoslijeda (sekvencije) povezivanja monomernih jedinica. Od tri monomerne jedinice mogu se napraviti trimeri sekvencije LLL, LLG, LGG, GGG, GGL i GLL, pa je dovoljno L zamijeniti jedinicom, a G ništicom, da se navedene sekvencije prevedu u binarne kodove (111, 110, 100, 000, 001, 011). No pisati formule je jedno, a dobiti u epruveti ono što je formulom napisano na papiru nešto je sasvim drugo.

Za kemijsku sintezu hoće se i vremena i napora. Autori spomenutog rada su procijenili kako bi im za sintezu jednog tetramera (tj. za pohranu 4 bita) trebao čitav dan posla. Stoga su postupak automatizirali. U cjevćicu od teflona ulaze reaktanti, a iz nje izlaze produkti, da bi se zatim automatski odvajali i pročišćivali kromatografijom. Da bi se razumjelo što se događa u cjevčicama treba uočiti kako reaktanti, a to su mliječna i glikolna kiselina, dolaze sa zaštićenom hidroksilnom i karboksilnom skupinom. Zaštitne skupine za hidroksilnu skupinu (TBDMS) i karboksilnu skupinu (Bz) uklanjaju se reagensima kao bi hidroksilna skupina jedne molekule mogla reagirati s karboksilnom skupinom druge. Tako se sinteza tetramera željene sekvencije skratila od jednog dana na jedan sat.

Čitanje koda zapisanog u tetrameru ide međutim mnogo brže, spektroskopskim metodama. Za to služi metoda nuklearne magnetske rezonancije (NMR), ista ona koja se koristi u medicini (MR), no ovdje se ne čita signal jezgara vodika, 1H, nego jezgara ugljika, 13C. Svaka jezgra ugljikova izotopa 13C osjeća naime magnetsko polje susjednih jezgara, pa se iz rasporeda signala u spektru 13C-NMR može zaključiti koja je monomerna jedinica za koju povezana. Za čitanje dužih sekvencija služi pak masena spektroskopija. U toj se metodi molekula ionizira da bi se potom raspala na fragmente, a fragmenti odvojili u magnetskom polju. Metoda je bolja i osjetljivija, ali i onome tko prvi put za nju čuje jasno je da se takvom analizom uzorak uništava.

Teorija kaže: molekule mliječne i glikolne kiseline od kojih je izgrađen polimer PLGA manje su i jednostavnije od molekula nukleotida od kojih je izgrađena molekukla DNA. To znači da za pohranu jednog bita treba samo masa od oko 70 Da. Drugim riječima, sadržaj svih svjetskih datoteka (2500 eksabita) stao bi u samo dva grama polimerne (PLGA) memorije.

Ali u praksi... Za čitanje zapisa treba imati mnogo više od jedne molekule, a brzina zapisivanja podataka (15 minuta po bitu) više je nego puževska – šest tisuća puta je sporija od pisanja rukom! No ovo je tek početak.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine

📢 Besplatna dostava

TOP!

APPLE iPad 9

A13 Bionic čip, kamera od 12 MP te brzi Wi-Fi ili mobilna mreža.

Od 2999 kn Kupi


Kompaktan zvučnik, gigantski zvuk.

KEF LS50 Meta

Najprecizniji, impresivan zvuk, 47 Hz - 45 kHz, Uni-Q driver, 85 dB, 8 Ohma, 40-100 W, Eisa Award.

9.749 kn Kupi

Soundbar i bežični subwoofer s ugrađenim HEOS-om

DENON DHT-S516H

HEOS, Bluetooth, AirPlay 2, Dolby Digital, Dolby Digital Plus, DTS dekodiranje, HDMI ulaz, ARC, Amazon Alexa, Google Assistant.

3.989 kn Kupi