在代谢物中存储图像!分子存储器潜力巨大,或将具备计算功能

DNA分子以存储巨量生物信息而闻名。在人工设计的数据存储设备中,科学家们采用DNA的兴趣不断增长。此类数据存储设备比我们现有的硬盘驱动器存储的数据要多得多。

如今,无论是将视频文件存储到计算机中,还是将图像文件存储到手机中,我们都离不开各式各样的存储芯片。

(图片来源:维基百科)

可是,随着数据“爆炸式”地增长,基于芯片的传统存储器件所提供的存储空间越来越不够用,就连“云”端的存储空间也面临耗尽的风险。此外,由于黑客攻击越来越猖狂,传统存储器件上的数据安全形势也愈发严峻。所以,科学家们开始积极探索其他的存储方法,例如采用生物或者化学方法。

(图片来源:维基百科)

DNA分子以存储巨量生物信息而闻名。在人工设计的数据存储设备中,科学家们采用DNA的兴趣不断增长。此类数据存储设备比我们现有的硬盘驱动器存储的数据要多得多。

DNA(图片来源:维基百科)

尽管DNA与存储芯片相比非常小,然而它在分子世界中依然是非常大的。而且,DNA合成需要熟练的重复劳动,如果每条信息都要从头开始设计,那么高分子存储的工作将会变得耗时漫长、成本昂贵。

所以,科学家们希望不直接借用生物学,而是利用有机化学与分析化学中的常见技术,开发一个小型、轻量的分子来编码信息。两个月前,笔者介绍过哈佛大学开发出一种新的存储方法,它可以可稳定地存储数据达数百万年,而且在写入数据之后不会消耗能量。该团队选择了寡肽作为他们的轻量分子。寡肽很常见,也很稳定,而且比DNA、RNA或者蛋白质都更小。

(图片来源:Michael J. Fink)

创新

今天,笔者再为大家介绍一项采用小分子来存储信息的新技术。

近日,美国布朗大学研究人员领导的一项研究表明,在人造代谢组(含有糖、氨基酸以及其他类型小分子的液体混合物阵列)中存储和检索数据是可行的。在一篇发表在《PLOS ONE》期刊上的论文中,研究人员们展示了他们可以将千字节规模的图像文件编码到代谢物溶液中,并再次从中读取这些信息。

(图片来源:布朗大学)

技术

分子计算背后的想法,源于对更大数据存储容量的日益增长的需求。据某些人估计,到2040年,全世界将产生3×10^24(3后面跟着24个零)比特的数据。存储、搜索和处理所有这些数据将是一个令人生畏的挑战。如果要用传统的半导体芯片来应对这一挑战,那么地球上芯片级的硅可能就会不够用。在与美国国防高级研究计划局(DARPA)订立的一份协议资助下,布朗大学的一组工程师和化学家一直在开发用小分子创造新信息系统的各种技术。

对于这项新研究来说,研究小组想要了解人造代谢组能否成为数据存储的选项。在生物学中,代谢组是指有机体用来调节新陈代谢的全部分子。

布朗大学的博士后副研究员、论文第一作者埃蒙·肯尼迪(Eamonn Kennedy)表示:“不难发现,细胞和有机体用小分子来传递信息,但是这个机制归纳和量化起来会比较困难。我们想要演示代谢组是如何做到编码精确的数字信息的。”

研究人员组装了他们自己设计的代谢组(含有不同分子组合的小液体混合物)。混合物中特定代谢物出现与否,用于编码一个比特位的数字信息(0或者1)。人造代谢组中分子类型的数量,决定了每个混合物可以拥有的比特位的数量。对于这项研究来说,研究人员创造出了6种和12种代谢物库,这意味着每个混合物可以编码6个比特位或者12个比特位。然后,数千个混合物,以纳升尺寸的液滴形式,排列在小金属板上。由液体处理机器人精确放置这些液滴的内容和排列,对所需数据进行编码。

然后,金属板被弄干,遗留下代谢物分子的小斑点,每个分子都持有数字信息。然后,这些数据可通过质谱仪读出,质谱仪可以识别板上每个点处出现的代谢物,并解码数据。

研究人员采用这项技术成功编码和检索一系列容量多达2千字节的图像文件。研究人员表示,与现代存储系统相比,这个容量并不算大,但这是一个可靠的概念验证,而且进一步扩展的潜力巨大。混合物中比特位的数量,随着人造代谢组中代谢物的数量增加而增加。目前,已经有数千种已知的代谢物可供使用。

这幅猫的图像被存入到代谢物溶液中。(图片来源:布朗大学)

研究人员指出这项技术还存在一些局限。例如,当许多代谢物放置在同一个溶液中的时候,相互之间会产生化学反应,这就会带来数据的错误和丢失。但是这个缺陷最终可能会成为一个功能。研究人员可能会利用这些反应操控数据,在溶液中进行计算。

价值

布朗大学工学院教授、论文高级作者雅各布·罗森斯坦(Jacob Rosenstein)表示:“这只是一个概念验证阶段的成果,我们希望它能使人们考虑采用更大范围的分子来存储信息。在某些情况下,就像我们在这里使用的那些小分子,具有比DNA更高的信息密度。”

罗森斯坦表示,另一项潜在的优势源于这样一个事实:许多代谢物可以相互反应形成新的混合物。这样就有可能使得分子系统不仅可以存储数据,而且可以操控数据(在代谢物混合物中进行计算)。

布朗大学化学系助理教授、论文合着者之一的布伦达·鲁宾斯坦(Brenda Rubenstein)表示:“采用分子进行计算是一个绝好的机遇,我们才刚刚开始搞清楚如何利用它。”

鲁宾斯坦表示:“这样的研究挑战了人们认为在分子数据系统中可行的事情。DNA并不是唯一可用于存储和处理信息的分子。令人兴奋的是,我们认识到潜力巨大的其他可能性。”

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