Het datapoederalternatief

“Veer­tig pro­cent van het inter­net-energie­ver­bruik gaat naar de dataop­slag van Google. En als je din­gen in een com­put­er­sys­teem opslaat, dan moet je daar alti­jd energie aan geven. Dus eigen­lijk staat het ergens op een serv­er en heeft het con­stant energie nodig.” Dat is slechts een van de prob­le­men met onze huidi­ge meth­od­es om data op te slaan op servers, aldus pro­fes­sor Peter Dawyn­dt. Data opslaan is een kostelijke aan­gele­gen­heid: niet alleen ver­bruikt het gigan­tis­che hoeveel­he­den energie, ook wor­den de servers gemaakt uit dure met­al­en en nemen ze reusachtige hoeveel­he­den plaats in.

Gelukkig hebben enkele pro­fes­soren aan onze uni­ver­siteit mogelijk een oploss­ing gevon­den. Pro­fes­sor Dawyn­dt, een infor­mati­cus, deed samen met zijn collega’s pro­fes­sor Fil­ip Du Prez, een chemi­cus, en pro­fes­sor Bart Devreese, een bio­chemi­cus, onder­zoek naar een mogelijk chemisch alter­natief voor onze dig­i­tale prob­le­men.

Polymeren

Vooraleer we het echter kun­nen hebben over grote Google-servers, is het tijd voor een klein lesje chemie. Bij het woord ‘poly­meer’ zullen de meeste stu­den­ten wel een vaag idee hebben waarover ik het heb. Anderen zullen waarschi­jn­lijk enkele trauma’s uit het mid­del­baar her­beleven.

Een poly­meer is een verbind­ing van ver­schil­lende monomeren. Een monomeer is een relatief sim­pele mol­e­cule die onder invloed van druk, warmte of een andere katalysator een verbind­ing zal aan­gaan met andere monomeren. Een poly­meer kun je dus vergelijken met een trein met een hele hoop terugk­erende wag­onnen. Eiwit­ten, DNA en RNA zijn voor­beelden van natu­urlijke biopoly­meren. Min­stens even bek­end zijn hun syn­thetis­che tegen­hang­ers zoals nylon, poly­ester en plex­i­glas. Zo’n syn­thetis­che stof­fen zijn, in tegen­stelling tot hun organ­is­che tegen­hang­ers, stof­fen die niet in de natu­ur voorkomen, maar door de mens gemaakt zijn.

(Poly)meer mogelijkheden

Maar wat hebben die poly­meren nu pre­cies met dataop­slag te mak­en? Dat wordt ons verder uit­gelegd door pro­fes­sor Du Prez: “In mijn groep ben ik alti­jd met zeer uiteen­lopende pro­jecten bezig, maar ze hebben alti­jd te mak­en met de syn­these van poly­meren. Biol­o­gis­che poly­meren zijn in staat om enorm veel ver­schil­lende func­ties te vervullen en ik probeer mijn stu­den­ten aan te sporen om op zoek te gaan naar manieren om syn­thetis­che mol­e­culen soort­gelijke din­gen te lat­en doen. Een aspect dat we zo hebben proberen repliceren is de mogelijkheid tot dataop­slag.”

Het is waarschi­jn­lijk niet hele­maal duidelijk hoe een poly­meer data zou kun­nen opslaan, maar neem bijvoor­beeld DNA, een organ­is­che poly­meer. DNA is een zeer com­plexe keten van nucleoti­den, die in een erg strik­te vol­go­rde staan. Door die strik­te vol­go­rde is DNA in staat om infor­matie op te slaan en over te dra­gen. Daar­bij ver­schilt onze genetis­che code niet zo veel van een heden­daagse code in de infor­mat­i­ca, waar infor­matie niet wordt opges­la­gen in een strik­te sequen­tie van nucleoti­den, maar in een reeks nul­let­jes en een­t­jes.

“Wij had­den hier enkele liters acry­lat­en staan, dat zijn de monomeren waaruit onder andere plex­i­glas wordt gemaakt. Daar­door kwam ik op het idee of het mogelijk zou zijn om een reeks van bijvoor­beeld twintig acry­lat­en op een pre­cieze wijze aan elka­ar te zetten. Geen 19, geen 21, maar 20. Dat klinkt vast niet zo moeil­ijk, maar dat is het wel. (lacht) Maar we wilden nog wat meer doen. Andere weten­schap­pers waren er al in ges­laagd om zo’n pre­cisiepoly­meer te mak­en uit twee ver­schil­lende monomeren. Maar ik vroeg mij af of het mogelijk was om een sequen­tie van 20 mol­e­culen te mak­en, waar­bij we gebruik­maak­ten van ver­schil­lende monomeren, zodat we op iedere plaats in het rijt­je exact de gewen­ste mol­e­cule kon­den kiezen.”

(Poly)meer opslagruimte

Toen hij erin ges­laagd was om zo’n sequen­tie te mak­en realiseerde pro­fes­sor Du Prez zich dat deze poly­meren gebruikt kon­den wor­den om op effec­tieve wijze data op te slaan. “Toen ik mijn collega’s voor de eerste keer con­tacteerde zat­en we gewoon te denken aan het schri­jven van een zin in zo’n poly­meer­poed­er. Dat is natu­urlijk niet zoveel, maar voor ons als chemi­ci was dat al een waanzin­nige gedachte. Maar toen die zin een­maal gelukt was, zei Peter tegen me: “Ja, een zin. We moeten toch wat meer ambitie hebben dan een zin?” En zo zijn we op het idee gekomen om een QR-code als chemis­che data op te slaan. Wij hebben hier ook een robot staan die iets meer dan zeventig pre­cisiepoly­meren simul­taan kan mak­en, dus leg­den we ons ook de lim­i­et op dat we de QR-code, die bestaat uit ongeveer duizend nul­let­jes en een­t­jes, moesten reduc­eren tot min­der dan 75 mol­e­culen.”

“Met deze meth­ode van dataop­slag zouden we in feite alle data in de wereld kun­nen opslaan op een opper­vlak­te niet grot­er dan de inhoud van een koffiebek­er”

Hoe is dit mogelijk? Dat wordt uit­gelegd door pro­fes­sor Dawyn­dt: “Hoe meer van die mol­e­culen zij kon­den gebruiken in hun sequen­tie, hoe meer we kon­den opslaan op een frag­ment.” Pro­fes­sor Devreese maak­te de vergelijk­ing met natu­urlijke biopoly­meren om een idee te geven hoeveel effi­ciën­ter zij werken: “Als je een eiwit hebt van hon­derd ver­schil­lende bouw­ste­nen, dan heb je twintig tot de macht hon­derd mogelijke com­bi­naties. Dat is een getal dat grot­er is dan het geschat­te aan­tal atom­en in het uni­ver­sum.”

Het uitein­delijke resul­taat van het onder­zoek is ‘dat­apoed­er’, of dat is toch hoe de poly­meren door de media genoemd wor­den. “Vele syn­thetis­che poly­meren zien er eerst uit als poed­er. Een plas­tic bek­ert­je uit de resto’s is ook gemaakt van ‘poed­er’. Als we dat zouden willen, zouden we dat poed­er ook in de vorm van een USB-stick kun­nen mak­en. Maar dat zou eigen­lijk al veel te groot zijn, want wij slaan de data op op een mol­e­c­u­lair niveau. Met deze meth­ode van dataop­slag zouden we in feite alle data in de wereld kun­nen opslaan op een opper­vlak­te niet grot­er dan de inhoud van een koffiebek­er,” wordt ons ent­hou­si­ast door pro­fes­sor Du Prez verteld.

 

Een Sterre-cast

Opval­lend is ook dat het infor­mat­icagedeelte van dit onder­zoek werd uit­gevo­erd door de chemies­tu­dente Annelies Lan­duyt met exper­i­mentele hulp en begelei­d­ing van Steven Martens. Dit deden ze in het kad­er van het Hon­ours Award in Sci­ences pro­gram­ma aan de fac­ul­teit Weten­schap­pen. Dat is een pro­gram­ma waar­voor enkele van de meest uit­mun­tende stu­den­ten vanaf hun tweede jaar wor­den uit­gekozen om aan inter­dis­ci­plinair onder­zoek te doen. Deze com­bi­natie van chemie, infor­mat­i­ca en bio­chemie bleek dan ook ideaal in die con­text. Alle drie de pro­fes­soren benadruk­ten ook het belang van dit soort inter­dis­ci­plinair onder­zoek, of zoals pro­fes­sor Dawyn­dt het zegt: “Soms moet je jouw onder­zoek eens proberen uit­leggen aan iemand die er niets van afweet om een grote stap vooruit te kun­nen zetten.”