Increasing the data storage capacity of sequence-defined macromolecules
Creators: name: Frölich, Maximiliane
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Sequence-definition
Datenspeicherung
Auslesen von Mixturen

description: Das Feld der sequenzdefinierten Makromoleküle wurde durch die Natur inspiriert, in der hochdefinierte Biomakromoleküle, wie zum Beispiel DNA oder Peptide, vorkommen. Die durch ihre komplexe und perfekt definierte Struktur entstehenden biochemischen Eigenschaften spielen eine bedeutende Rolle in unserem Leben. Als eine der bedeutendsten wissenschaftlichen Entdeckungen der letzten Jahre gilt die Sequenzierung und das anschließend vollständige Auslesen der DNA. Sie stellt damit eines der prominentesten Beispiele für die Datenspeicherung in Molekülen dar. Der daraus entwickelte Ansatz der Speicherung von Daten in sequenzdefinierten Molekülen und die anschließende Erhöhung der Datendichte erweckte in den vergangenen Jahren immer größeres Interesse. In dieser Arbeit werden neuartige Ansätze zur Etablierung sequenzdefinierte Passerini Makromoleküle im Bereich der Datenspeicherung untersucht, indem ein bereits etablierter iterativer Zyklus zur Synthese der Makromoleküle verwendet wird um die Datenspeicherdichte zu erhöhen. Der erste Schritt des iterativen Zyklus beinhaltet die Passerini-Dreikomponentenreaktion, in der eine Carbonsäure, ein Aldehyd und ein Benzylester geschütztes Isocyanide miteinander reagieren. Im zweiten Schritt findet eine Entschützung des Benzylesters statt, um erneut die freie Säure zu erhalten. Durch die Verwendung des iterativen Reaktionszyklus konnten verschiedene Seitenketten-definierte sequenzdefinierte Makromoleküle synthetisiert, sowie weitere Rückgrat-definierte, und Dual-sequenzdefinierte Makromoleküle analysiert werden. Analytische Methoden wurden hinsichtlich ihrer Nachweisgrenze untersucht, um Verunreinigungen nachzuweisen und zu identifizieren. Anschließend stand die Anwendung der sequenzdefinierten Makromoleküle im Fokus, insbesondere die Entwicklung einer erfolgreichen Strategie zum Auslesen der Information von Oligomeren und der damit folgende Einsatz im Bereich der Datenspeicherung. Dafür wurden Tandem Elektronen Spray Ionisation (ESI-MS/MS) Messungen vom verschiedene Passerini Systemen, wie Seitenketten-definiert, Rückgrat-definiert oder Dual-sequenzdefiniert durchgeführt und analysiert, sowie die Fragmentierungsmuster entsprechend zugeordnet. Dabei konnten zwei signifikante Fragmentierungsmuster beobachtet und zur Entwicklung eines Ausleseverfahrens verwendet werden. Dies ermöglichte das Auslesen von sequenzdefinierten Passerini-Oligomeren und den Vergleich der Datenspeicherkapazität verschiedener Systeme miteinander. Anschließend konnte ein simultanes und automatisiertes Auslesen von Oligomer Mischungen demonstriert werden, wofür sequenzdefinierte Oligomere (sechs Trimere, zwölf Tetramere und drei Hexamere) mit unterschiedlichen Seitenketten und Massemarkern verwendet wurden. Durch die Verwendung verschiedener Massenmarker wurde die Auswertungen der ESI-MS/MS-Daten vereinfacht und dies ermöglichte das eindeutige Auslesen von Oligomer Mischungen. Mittels manueller und automatisierter Auslesung von Oligomer Mischungen wurde eine Datenspeicherdichte von bis zu 64.5 Bits erzielt. Zusätzlich konnte das Auslesen von Oligomer Mischungen mit bis zu sechs verschieden Oligomeren gezeigt werden.