比DNA存储更可怕！你的照片居然可以存储在氨基酸分子溶液里

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【新智元导读】前几天，一个DNA分子储存16G维基百科的新闻刷新了我们的三观，引发人们对于未来数据存储的大讨论。今日，布朗大学的研究人员受此启发发现：DNA并不是唯一可以用于数字存储的分子，含有糖、氨基酸和其他小分子的溶液也可以取代硬盘。意不意外？

原来，不只DNA能够存储数据，小分子溶液也可以。

上周，新智元报道了DNA数据存储的新闻，不仅16G的维基百科能够存储到一个DNA分子上，就连存储全球的数据也只需要1kg DNA。

而近期，布朗大学的研究人员受此启发并发现： DNA并不是唯一可以用于数字存储的分子 。事实证明， 含有糖、氨基酸和其他小分子的溶液也可以取代硬盘 。

在DNA的下游， 代谢组(metabolome) 是一个信息丰富的分子系统，它具有不同的化学维度，可以用来存储和处理信息。

为了证明 小分子后基因组( small-molecule postgenomic) 数据存储的原理，研究人员利用机器人液体处理将数字信息写入化学混合物，并利用质朴分析提取数据。

研究人员还提出了几个存储在合成代谢体中的千字节(kilobyte-scale)级图像数据集，使用多质量逻辑回归可以对其进行解码，其 精度超过99% 。

布朗大学工程学院教授、该研究的高级作者Jacob Rosenstein说：

另一个潜在的优势在于，多种小分子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。”

缩略图大小的图像，存储在比DNA还小的分子上

为了上述的想法，研究人员用常见代谢物做了一种混合物——含有糖、氨基酸和其他小分子的溶液，人类和其他生物利用这些小分子来消化食物和执行其他重要的化学功能。

他们的想法是 利用混合物中特定代谢物的存在或不存在作为二进制的1和0来编码数字信息 。

▲ 该方法将数字数据的1和0映射到溶液中特定分子的存在或不存在。

研究人员使用该方案对图像文件进行了编码-图1

例如，为了生成北山羊的图像，研究小组使用了6种不同代谢物的混合物，这些混合物由液体处理机器人点缀在一个小金属板上。他们总共制作了1024个液滴，每个液滴中6种代谢物或缺失或存在，提供了足够的二进制信息来编码6142像素的图像。

然后，金属板被烘干，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板上每个点的代谢物，并对数据进行解码。

▲ 研究人员将这张猫的图像保存在小分子溶液中

研究人员通过用质谱仪分析每个点的化学成分，能够以99%的准确率检索到这些数据。他们还用12种代谢物的混合物，解码了一张分辨率更高的猫的照片。

密集数据

他们使用手掌大小的标准板来编码缩略图大小的图像。但是据Rosenstein介绍，代谢物存储设备的物理尺寸可以更小。

代谢物分子比DNA和蛋白质小得多，而且种类繁多。他说，这意味着它们可以比DNA更密集地表示少量数据。

Rosenstein说：“一旦数据被记录下来，它们就不需要任何能量了。根据分子和环境条件的不同，这些数据可以保存数月或数年。”事实上，在极端温度、压力和机械力等条件下，分子存储可能比电子存储更稳定，这取决于分子的特性。

分子存储还可以使离线存储大量数据成为可能，而不是存储在云中，从而防止黑客入侵。

到目前为止，Rosenstein和他的同事们发明的技术与电子计算机相比速度还比较慢。

研究人员指出，这种技术也有一些局限。例如，当多种代谢物分子被放在同一溶液中时，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数据的计算。

Rosenstein表示：

这些想法在研究实验室中使用已经可行，但我们需要加快速度，缩小分析硬件的尺寸，然后才能在实验室外实施。

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。认识到还有其他潜力巨大的可能性是令人兴奋的。”

实验原料和方法

化学库的制备

将36种不同代谢化合物的试剂级样品（S1文件中的表A）在二甲基亚砜（DMSO，无水）中稀释，标称浓度均为25mM。将一些代谢物首先溶解在替代溶剂（去离子水，可选择加入0.5M或1M的盐酸）中，以促进化合物在DMSO中的溶解。将10μL每种化合物等分到384孔的微量培养板（Labcyte384LDV）上。

数据混合物的准备

在规格为76mm×120mm不锈钢MALDI板上制备化学数据混合物。使用声学液体处理器（LabcyteEcho 550型）将化合物从培养板转移到MALDI板上。仪器标称的单液滴体积为2.5nL，但为了降低液滴体积变化对结果的影响，通常每种化合物使用2滴（5nL）。液滴以标准的2.25mm点距排布，共计1536个位置（32×48）。

将化合物按编好的位置滴到MALDI板上之后，需要将MALDI基质材料添加到每个位置上。我们选择9-氨基吖啶作为基质材料，因为它与代谢物库能够共存，它在小分子体系中具备低背景（low background）特征，同时支持正离子和负离子模式。将MALDI板放置在干燥环境中，大约在一夜时间即可完成结晶（最多10小时）。干燥后，可将板储存在湿度控制柜中，或进行MALDI-FT-ICR质谱分析。

数据板的质谱分析

实验中使用傅里叶变换离子回旋共振（FT-ICR）质谱仪（SolariX 7T，Bruker）分析结晶代谢物数据混合物。精确的成分结果是每个频谱上的测量时间的函数。这些实验中通常耗时0.5-1秒，产生的分辨精度 /阅读下一篇/ 返回网易首页 下载网易新闻客户端