分子拇指驱动器:研究人员将数字图像存储在代谢物分子中

普罗维登斯，R.I.[布朗大学]——DNA分子是众所周知的承载大量生物信息的载体，人们对在工程数据存储设备中使用DNA越来越感兴趣，这种设备可以存储比我们目前的硬盘驱动器多得多的数据。但新的研究表明，DNA并不是分子数据存储领域的唯一游戏。

由布朗大学的研究人员领导的一项研究表明，在人工代谢体中存储和检索数据是可能的。在发表于《公共科学图书馆·综合》(PLOS ONE)杂志上的一篇论文中，研究人员表示，他们可以将千字节级的图像文件编码到代谢产物溶液中，然后再把信息读出来。

“这是一个概念验证，我们希望能让人们考虑使用更广泛的分子来存储信息，”布朗大学工程学院教授、该研究的高级作者雅各布罗森斯坦(Jacob Rosenstein)说。“在某些情况下，我们在这里使用的小分子可能比DNA拥有更大的信息密度。”

罗森斯坦说，另一个潜在的优势在于，许多代谢物可以相互反应形成新的化合物。这为分子系统创造了潜力，不仅可以存储数据，还可以操纵数据——在代谢物混合物中执行计算。

分子计算背后的理念源于对更多数据存储容量的日益增长的需求。据估计，到2040年，全球将产生多达3千兆比特的数据(即3后面跟着24个零)。存储、搜索和处理所有这些数据都是一项艰巨的挑战，而且地球上可能没有足够的芯片级硅来处理传统的半导体芯片。在与美国国防高级研究计划局(DARPA)签订的一份合同的资助下，布朗大学的一群工程师和化学家一直在研究各种利用小分子来创建新信息系统的技术。

在这项新的研究中，研究小组想看看人工代谢体是否可以作为数据存储的选择。在生物学中，代谢体是生物体用来调节其代谢的全部分子。

“我们不难发现细胞和有机体利用小分子来传递信息，但要进行概括和量化就更难了，”布朗大学博士后、该研究的第一作者埃蒙·肯尼迪(Eamonn Kennedy)说。“我们想要证明代谢物如何能编码精确的数字信息。”

研究人员组装了他们自己的人工代谢体——由不同分子组合而成的小型液体混合物。混合物中特定代谢物的存在或缺失编码了一个比特的数字数据，一个0或一个1。人工代谢组中分子类型的数量决定了每种混合物所能容纳的比特数。在这项研究中，研究人员创建了包含6和12种代谢物的文库，这意味着每种混合物可以编码6位或12位。成千上万的混合物以纳米级液滴的形式排列在小金属板上。液滴的内容和排列，由液体处理机器人精确地放置，编码所需的数据。

然后盘子被烘干，留下微小的代谢物分子点，每个点都保存着数字信息。然后，这些数据可以用质谱仪读出，质谱仪可以识别存在于平板上每个点的代谢物，并对数据进行解码。

研究人员利用这项技术成功地编码和检索了各种大小可达2千字节的图像文件。研究人员说，与现代存储系统的容量相比，这不算大，但它是一个坚实的概念验证。而且还有很大的扩展潜力。混合物中位的数量随着人工代谢物组中代谢物的数量的增加而增加，有数千种已知的代谢物可供使用。

研究人员指出，有一些限制。例如，当许多代谢物被放置在同一溶液中时，它们之间会发生化学反应，这可能导致错误或数据丢失。但这个bug最终可能成为一个功能。也许可以利用这些反应来操纵执行解决方案内计算的数据。 

“利用分子进行计算是一个巨大的机会，我们才刚刚开始研究如何利用它，”布朗大学化学助理教授、该研究的合著者布伦达鲁宾斯坦(Brenda Rubenstein)说。

罗森斯坦说:“这类研究挑战了人们在分子数据系统中所看到的可能性。“DNA不是唯一可以用来存储和处理信息的分子。认识到还有其他具有巨大潜力的可能性是令人兴奋的。”

论文的其他作者还有克里斯托弗·阿卡迪亚(Christopher Arcadia)、约瑟夫·盖瑟(Joseph Geiser)、彼得·韦伯(Peter Weber)和克里斯托弗·罗斯(Christopher Rose)。该研究由DARPA (W911NF-18-2-0031)资助。