Increasing the data storage capacity of sequence-defined macromolecules

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. ... mehrIn 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.

The field of sequence-defined macromolecules is inspired by the high molecular definition of biomacromolecules that occur in nature, such as DNA and peptides. Their complex and perfectly defined structure enable their biochemical functions, which play an important and relevant role in living organisms. The sequencing and the complete read-out of the DNA are considered one of the most significant scientific discoveries over the last years, and DNA can be described as one of the most prominent examples for storing information on a molecular scale. The resulting idea of storing data in sequence-defined molecules and subsequent increase of data storage density in different systems of sequence-defined macromolecules emerged in recent years to become a major research topic. ... mehrThis thesis investigates sequence-defined Passerini molecules in the field of data storage by exploiting an established iterative synthesis cycle to ultimately enhance data storage capacity. In the first step of the iterative cycle, a Passerini three component reaction (P-3CR) with a carboxylic acid, an aldehyde and an isocyanide bearing a benzyl ester is performed and afterwards in the second step a hydrogenolytic deprotection yields the intended oligomers. Using the iterative step cycle, different systems like side chain defined, backbone defined, and dual sequence-defined oligomers were synthesized and analyzed. Analytical methods were investigated regarding there detection threshold to track and identify impurities. Afterwards, the molecular data storage application was in focus, investigating and developing a successful read-out strategy for the application of the oligomers in the field of data storage. Therefore, tandem electron spray ionization (ESI-MS/MS) measurements of different Passerini systems, such as side chain defined, backbone defined and dual sequence-defined oligomers, had to be analyzed and fragmentation patterns assigned accordingly. Thereby, two common patterns were observed and used in the subsequent development of the read-out process. Hence, the read-out of sequence-defined Passerini oligomers was demonstrated and the data storage capacity of the different systems were compared with each other. Moreover, the investigated system was capable of a simultaneous and automated read-out of oligomer mixtures. Therefore, different sequence-defined oligomers (six trimer, twelve tetramers and three hexamers) with varying side chains and mass markers were synthesized. Due to the application of different mass markers, the analysis of the ESI-MS/MS measurements were simplified allowing the unambiguous read-out of mixtures of sequence-defined macromolecules. Through the successful read-out of three hexamer in a mixture, by hand and automated, an increase of the storage capacity up to 64.5 bits was achieved. Additionally, the read-out of a oligomer mixture with up to six oligomers was achieved.