或?qū)⒕邆溆?jì)算功能的分子存儲(chǔ)器潛力巨大

如今，無論是將視頻文件存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，還是將圖像文件存儲(chǔ)到手機(jī)中，我們都離不開各式各樣的存儲(chǔ)芯片。

可是，隨著數(shù)據(jù)“爆炸式”地增長，基于芯片的傳統(tǒng)存儲(chǔ)器件所提供的存儲(chǔ)空間越來越不夠用，就連“云”端的存儲(chǔ)空間也面臨耗盡的風(fēng)險(xiǎn)。此外，由于黑客攻擊越來越猖狂，傳統(tǒng)存儲(chǔ)器件上的數(shù)據(jù)安全形勢也愈發(fā)嚴(yán)峻。所以，科學(xué)家們開始積極探索其他的存儲(chǔ)方法，例如采用生物或者化學(xué)方法。

DNA分子以存儲(chǔ)巨量生物信息而聞名。在人工設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備中，科學(xué)家們采用DNA的興趣不斷增長。此類數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備比我們現(xiàn)有的硬盤驅(qū)動(dòng)器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)要多得多。盡管DNA與存儲(chǔ)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合成需要熟練的重復(fù)勞動(dòng)，如果每條信息都要從頭開始設(shè)計(jì)，那么高分子存儲(chǔ)的工作將會(huì)變得耗時(shí)漫長、成本昂貴。

所以，科學(xué)家們希望不直接借用生物學(xué)，而是利用有機(jī)化學(xué)與分析化學(xué)中的常見技術(shù)，開發(fā)一個(gè)小型、輕量的分子來編碼信息。兩個(gè)月前，筆者介紹過哈佛大學(xué)開發(fā)出一種新的存儲(chǔ)方法，它可以可穩(wěn)定地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)達(dá)數(shù)百萬年，而且在寫入數(shù)據(jù)之后不會(huì)消耗能量。該團(tuán)隊(duì)選擇了寡肽作為他們的輕量分子。寡肽很常見，也很穩(wěn)定，而且比DNA、RNA或者蛋白質(zhì)都更小。

美國布朗大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究表明，在人造代謝組（含有糖、氨基酸以及其他類型小分子的液體混合物陣列）中存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)是可行的。在一篇發(fā)表在《PLOS ONE》期刊上的論文中，研究人員們展示了他們可以將千字節(jié)規(guī)模的圖像文件編碼到代謝物溶液中，并再次從中讀取這些信息。

分子計(jì)算背后的想法，源于對更大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量的日益增長的需求。據(jù)某些人估計(jì)，到2040年，全世界將產(chǎn)生3×10^24（3后面跟著24個(gè)零）比特的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)、搜索和處理所有這些數(shù)據(jù)將是一個(gè)令人生畏的挑戰(zhàn)。如果要用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體芯片來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，那么地球上芯片級的硅可能就會(huì)不夠用。在與美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）訂立的一份協(xié)議資助下，布朗大學(xué)的一組工程師和化學(xué)家一直在開發(fā)用小分子創(chuàng)造新信息系統(tǒng)的各種技術(shù)。

對于這項(xiàng)新研究來說，研究小組想要了解人造代謝組能否成為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的選項(xiàng)。在生物學(xué)中，代謝組是指有機(jī)體用來調(diào)節(jié)新陳代謝的全部分子。布朗大學(xué)的博士后副研究員、論文第一作者埃蒙·肯尼迪（Eamonn Kennedy）表示：“不難發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞和有機(jī)體用小分子來傳遞信息，但是這個(gè)機(jī)制歸納和量化起來會(huì)比較困難。我們想要演示代謝組是如何做到編碼精確的數(shù)字信息的?！?/p>

然后，金屬板被弄干，遺留下代謝物分子的小斑點(diǎn)，每個(gè)分子都持有數(shù)字信息。然后，這些數(shù)據(jù)可通過質(zhì)譜儀讀出，質(zhì)譜儀可以識(shí)別板上每個(gè)點(diǎn)處出現(xiàn)的代謝物，并解碼數(shù)據(jù)。

研究人員采用這項(xiàng)技術(shù)成功編碼和檢索一系列容量多達(dá)2千字節(jié)的圖像文件。研究人員表示，與現(xiàn)代存儲(chǔ)系統(tǒng)相比，這個(gè)容量并不算大，但這是一個(gè)可靠的概念驗(yàn)證，而且進(jìn)一步擴(kuò)展的潛力巨大。混合物中比特位的數(shù)量，隨著人造代謝組中代謝物的數(shù)量增加而增加。目前，已經(jīng)有數(shù)千種已知的代謝物可供使用。

研究人員指出這項(xiàng)技術(shù)還存在一些局限。例如，當(dāng)許多代謝物放置在同一個(gè)溶液中的時(shí)候，相互之間會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，這就會(huì)帶來數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤和丟失。但是這個(gè)缺陷最終可能會(huì)成為一個(gè)功能。研究人員可能會(huì)利用這些反應(yīng)操控?cái)?shù)據(jù)，在溶液中進(jìn)行計(jì)算。

布朗大學(xué)工學(xué)院教授、論文高級作者雅各布·羅森斯坦（Jacob Rosenstein）表示：“這只是一個(gè)概念驗(yàn)證階段的成果，我們希望它能使人們考慮采用更大范圍的分子來存儲(chǔ)信息。在某些情況下，就像我們在這里使用的那些小分子，具有比DNA更高的信息密度?！?/p>

羅森斯坦表示，另一項(xiàng)潛在的優(yōu)勢源于這樣一個(gè)事實(shí)：許多代謝物可以相互反應(yīng)形成新的混合物。這樣就有可能使得分子系統(tǒng)不僅可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而且可以操控?cái)?shù)據(jù)（在代謝物混合物中進(jìn)行計(jì)算）。布朗大學(xué)化學(xué)系助理教授、論文合著者之一的布倫達(dá)·魯賓斯坦（Brenda Rubenstein）表示：“采用分子進(jìn)行計(jì)算是一個(gè)絕好的機(jī)遇，我們才剛剛開始搞清楚如何利用它?！?/p>

魯賓斯坦表示：“這樣的研究挑戰(zhàn)了人們認(rèn)為在分子數(shù)據(jù)系統(tǒng)中可行的事情。DNA并不是唯一可用于存儲(chǔ)和處理信息的分子。令人興奮的是，我們認(rèn)識(shí)到潛力巨大的其他可能性。”