Digital Data Storage in Sequence-Defined Polyesters: From Oligomer Mixtures to Polymers for Selective Decoding = 서열이 정의된 폴리에스터 기반 디지털 데이터 저장: 선택적 디코딩을 위한 올리고머 혼합물 및 고분자 합성

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The rapid growth of global data generation has far exceeded the physical and energetic limits of traditional silicon-based storage technologies. DNA has been explored as a molecular data storage medium because of its remarkable density and durability, but its high synthesis cost, slow read/write speed, and limited scalability restrict its practical use. To overcome these challenges, sequence-defined polymers (SDPs) have emerged as fully synthetic alternatives offering greater chemical diversity, environmental stability, and higher information density. SDPs can be precisely constructed via stepwise iterative or cross-convergent strategies, enabling molecular-level sequence control and scalable synthesis. Recent advances in decoding methods, including tandem mass spectrometry, spectroscopic techniques, and nanopore sequencing, further establish the foundation for practical, high-density molecular data storage systems based on SDPs.
In Chapter 2, nondestructive decoding of sequence-defined oligoesters composed of enantiopure α-hydroxy acids was demonstrated using 13C nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. Libraries of oligo(L-mandelic-co-D-phenyl lactic acid)s (oMPs) and oligo(L-lactic-co-glycolic acid)s (oLGs) were synthesized through a semiautomated flow system, which reduced reaction time to less than 1% of conventional batch processes. Decoding of these oligoesters was enabled by sequence-specific 13C NMR peaks arising from the distinct electronic shielding and deshielding effects of neighboring monomer units, allowing the precise identification of monomer sequences without polymer degradation. Using this approach, a 192-bit bitmap image was nondestructively decoded from 12 equimolar mixtures of 8-bit-storing oligomers, demonstrating the feasibility of permanent digital information storage in synthetic macromolecules.
In Chapter 3, a 512-mer sequence-defined polyester with a molecular weight of 57.3 kDa was synthesized to overcome the analytical size limit of mass spectrometry-based decoding. A four-bit fragmentation code was strategically embedded at aperiodic positions within the polymer sequence, enabling controlled cleavage into 18 readable oligomers without reducing storage capacity. Each fragment was individually sequenced by tandem mass spectrometry, and the complete 512-bit information was computationally reconstructed through an error-detection algorithm. This shotgun sequencing approach eliminates the storage limit of a single polymer chain and enables random access to specific data segments without full-chain sequencing.
In Chapter 4, the concept of SDPs was extended from polyesters to nucleobase-containing polymers capable of molecular recognition. Thymine- and adenine-functionalized isocyanides were used to synthesize uniform poly(hydroxybutyrate) derivatives via Passerini-iterative exponential growth (P-IEG), overcoming the sequence and length limitations of conventional methods. The resulting polymers exhibited specific adenine–thymine hydrogen bonding confirmed by 1H NMR, NMR titration, and variable-temperature studies. Furthermore, adenine and thymine were introduced in a defined order within a single polymer backbone, and the resulting SDPs were successfully sequenced by tandem mass spectrometry. In addition, the association constant of a mismatched sequence was also determined, allowing direct comparison between complementary and non-complementary arrangements. This chapter demonstrates that the P-IEG platform enables the construction of biomimetic macromolecules capable of encoding and reading molecular recognition patterns.
Unlike conventional data storage media such as silicon and DNA, which allow direct random access to specific information, data stored in synthetic polymers has traditionally required full-chain sequencing for retrieval. The studies presented in this dissertation demonstrate that selective decoding is achievable by molecular design. In Chapter 2, sequence-defined oligoesters were decoded nondestructively by 13C NMR spectroscopy, where only the NMR tube containing the desired oligomer needed to be analyzed, enabling targeted information access without degrading the entire library. In Chapter 3, random access was achieved by partial fragmentation of the polymer through chemical activation of the embedded fragmentation code, enabling selective identification of fragments containing the target word without full-chain sequencing. Finally, the nucleobase-containing sequence-defined polymers developed in Chapter 4 introduce the potential for selective molecular recognition through complementary base pairing, suggesting that future polymer-based information systems could achieve selective and programmable decoding analogous to biological processes.

국문 초록 (Abstract)

전 세계적인 데이터 생성량의 급증은 기존 실리콘 기반 저장 기술의 물리적·에너지적 한계를 이미 초과하였다. 이에 대한 대안으로 높은 밀도와 안정성을 갖는 DNA가 분자 데이터 저장 매체로 주목받아 왔으나, 높은 합성 비용, 느린 읽기 및 쓰기 속도, 제한된 확장성으로 인해 실용적 적용에는 제약이 따른다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 서열이 정의된 고분자(sequence-defined polymers, SDPs)가 더 높은 화학적 다양성, 환경적 안정성, 정보 밀도를 갖춘 합성 기반 매체로 부상하고 있다. SDPs는 단계적 반복 합성 또는 교차 수렴법을 통해 단량체 수준의 정확한 서열 제어와 대량 합성이 가능하며, 최근에는 탬덤 질량분석, 분광학적 분석, 나노포어 기반 기술 등 다양한 해독 방법의 발전으로 고밀도 데이터 저장체로서의 잠재력이 크게 확대되고 있다.
2장에서는 거울상 순수 α-하이드록시산으로 구성된 서열이 정의된 올리고에스터를 탄소-13 핵자기공명 (13C NMR) 분광법으로 비파괴적으로 해독하는 방법을 제시하였다. 반자동 흐름 시스템을 통해 합성한 oligo(L-mandelic-co-D-phenyl lactic acid)s (oMPs)와 oligo(L-lactic-co-glycolic acid)s (oLGs)는 기존 배치 공정의 1% 미만의 시간이 소요되었으며, 인접 단량체의 전자적 차이에 의해 발생하는 서열 특이적 13C NMR 신호를 활용하여 올리고머의 분해 없이 서열을 정확히 판독할 수 있었다. 이 방법을 통해 8비트 정보를 저장하는 12종의 올리고머 혼합물에서 192비트 이미지를 비파괴적으로 해독하여 합성 고분자를 이용한 영구적 정보 저장의 가능성을 입증하였다.
3장에서는 질량분석 기반 해독의 분석 크기 한계를 극복하기 위해 분자량 57.3 kDa, 총 512-mer 길이의 서열정의 폴리에스터를 합성하였다. 고분자 서열 내 특정한 비주기적 위치에 4비트 분절 코드 (fragmentation code)를 도입하여 18종의 해독 가능한 올리고머로 선택적 분해되도록 설계하였고, 각 조각을 탠덤 질량분석으로 개별 해독한 뒤 오류 검출 알고리즘을 이용해 전체 512비트 정보를 재구성하였다. 이 샷건 시퀀싱 (shotgun sequencing) 전략은 단일 고분자의 저장 용량 한계를 해결할 뿐만 아니라, 전체 서열을 분석하지 않고도 특정 정보 조각에 접근하는 랜덤 액세스를 가능하게 한다.
4장에서는 SDP 개념을 폴리에스터에서 더 나아가 분자 인식을 수행할 수 있는 핵염기 기반 고분자로 확장하였다. 티민 (thymine, T) 및 아데닌 (adenine, A) 기능화 아이소사이안이드 (isocyanide)를 Passerini iterative exponential growth (P-IEG) 전략에 적용하여 기존 방법의 한계를 극복한 SDPs를 합성하였고, 1H NMR, 적정 실험, 온도 변화 분석을 통해 특이적인 A–T 수소결합 상호작용을 확인하였다. 또한 두 핵염기를 단일 폴리머 내에 정의된 서열로 도입하였으며, 합성된 고분자는 탠덤 질량분석을 통해 서열 해독이 가능함을 확인하였다. 이는 P-IEG 플랫폼이 생체모방적 분자 인식 패턴을 부여한 고정밀 합성 고분자를 구축할 수 있음을 보여준다.
전통적인 실리콘 및 DNA 기반 저장 매체는 특정 정보에 대한 선택적 디코딩을 제공하지만, 합성 고분자를 이용한 데이터 저장은 일반적으로 전체 사슬을 해독해야 한다는 한계가 있었다. 본 논문에서 제시된 연구들은 이러한 제약을 분자 설계를 통해 극복할 수 있음을 보여준다. 2장에서는 원하는 올리고머가 포함된 NMR 튜브만 분석하면 되는 선택적 비파괴 해독을, 3장에서는 분절 코드를 화학적으로 활성화하여 목표 정보가 포함된 조각만 선택적으로 판독할 수 있는 선택적 디코딩을 구현하였다. 마지막으로 4장의 핵염기 기능화 고분자는 상보적 염기쌍 인식을 기반으로 한 선택적 디코딩 가능성을 제시하며, 향후 고분자 기반 정보 시스템에서 생물학적 정보 처리 방식과 유사한 선택적 접근성을 구현할 수 있음을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents v
• List of Schemes viii
• List of Tables ix
• List of Figures x
• Chapter 1. Introduction
• 1.1 Overview 1
• 1.2 Sequence-defined polymers-based data storage 2
• 1.2.1 Stepwise iterative growth 4
• 1.2.2 Cross-convergent synthesis 7
• 1.3 Decoding of sequence-defined polymers 11
• 1.3.1 Mass spectrometry-based decoding 11
• 1.3.2 Spectroscopic-based decoding 14
• 1.3.3 Nanopore sequencing of synthetic polymers 16
• 1.4 Summary of thesis 18
• 1.5 References 19
• Chapter 2. Nondestructive Sequencing of Enantiopure Oligoesters by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy
• 2.1 Abstract 28
• 2.2 Introduction 28
• 2.3 Results and Discussion 31
• 2.4 Conclusions 45
• 2.5 Experimental 46
• 2.6 References 50
• Chapter 3. Shotgun Sequencing of 512-mer Copolyester Allows Random Access to Stored Information
• 3.1 Abstract 57
• 3.2 Introduction 57
• 3.3 Results and Discussion 62
• 3.4 Conclusions 76
• 3.5 Experimental 77
• 3.6 References 81
• Chapter 4. Encoding nucleobase sequences to synthetic polyesters using adenine/thymine-containing isocyanides as gluing components for the Passerini IEG
• 4.1 Abstract 87
• 4.2 Introduction 87
• 4.3 Results and Discussion 91
• 4.4 Conclusions 99
• 4.5 Experimental 99
• 4.6 References 103
• Appendix
• A.2.1 13C NMR spectra of octameric oMP and oLG mixtures 107
• A.2.2 13C NMR sequencing results of oMP and oLG mixtures based on decoding diagrams 111
• A.2.3 13C NMR spectra after 10 months 123
• A.2.4 Destructive mass sequencing of enantiopure oligoesters 124
• A.2.5 Characterization of enantiopure oligoesters 126
• A.3.1 MALDI-TOF spectra of 128, 256, and 512-mer 129
• A.3.2 Computer code for the identification, decoding, and reconstruction of mass data (CIDER) 141
• A.3.3 Sequencing of oPcLs by MALDI-TOF/TOF MS2 145
• A.3.4 Characterization of PcLs 166
• A.4.1 Synthesis of nucleobase-NC 170
• A.4.2 Preparation of monomers 174
• A.4.3 Characterization of P(bTBoc), P(bT), P(bABoc) and P(bA) 175
• A.4.4 GPC and MALDI-TOF MS spectra of P(bA) 179
• A.4.5 MALDI-TOF MS2 spectra of P7(b3TAT) 180
• Abstract in Korean 181