研究人員報告了分子數據存儲系統的進展

布朗大學(Brown University)的一組研究人員在創建一種新型分子數據存儲系統的努力中取得了重大進展。

在《自然通訊》雜志上發表的一項研究中，研究小組將各種各樣的圖像文件——畢加索的一幅畫、埃及神阿奴比斯和其他神的圖像——儲存在含有自定義合成小分子的混合物陣列中。研究人員總共存儲了200千字節的數據，他們說這是迄今為止使用小分子存儲最多的數據。研究人員說，與傳統的存儲方式相比，這不是很多的數據，但在小分子存儲方面是一個重大進展。

“我認為這是向前邁出的重要一步，”布朗大學工程學院(Brown"s School of Engineering)助理教授、該研究的作者之一雅各布·羅森斯坦(Jacob Rosenstein)說。“大量獨特的小分子，我們可以存儲的數據量，以及數據讀出的可靠性，顯示出進一步擴大這一技術的前景。”

隨著數據領域的不斷擴大，人們正在做大量工作來尋找新的、更緊湊的存儲方式。通過在分子中編碼數據，在幾毫米的空間中存儲相當于tb的數據是可能的。大多數關于分子存儲的研究都集中在像DNA這樣的長鏈聚合物上，它們是眾所周知的生物數據載體。但與長聚合物相比，使用小分子有潛在的優勢。小分子的生產可能比合成DNA更容易、更便宜，而且在理論上有更高的存儲容量。

由化學教授布倫達·魯賓斯坦(Brenda Rubenstein)領導的美國國防高級研究計劃局(DARPA)資助的布朗研究小組，一直致力于尋找使小分子數據存儲可行和可擴展的方法。

為了存儲數據，研究小組使用了排列著1500個直徑小于一毫米的小點的小金屬片。每個點都含有分子的混合物。每種混合物中不同分子的存在或不存在表明了數字數據。每種混合物的比特數可以和可供混合的不同分子庫一樣大。然后可以用質譜儀讀出數據，質譜儀可以識別出每口井中存在的分子。

在去年發表的一篇論文中，布朗團隊展示了他們可以使用一些常見的代謝物(生物體用來調節新陳代謝的分子)來存儲千字節范圍內的圖像文件。在這項新工作中，研究人員能夠通過合成他們自己的分子來極大地擴展他們的文庫，從而也就是他們能夠編碼的文件的大小。

研究小組使用Ugi反應來制造分子，這種技術常用于制藥行業，以快速生產大量不同的化合物。Ugi反應將四大類試劑(胺、醛或酮、羧酸和異氰酸)合成一個新分子。通過使用不同種類的試劑，研究人員可以迅速產生大量不同的分子。在這項研究中，研究小組使用了五種不同的胺、五種醛、十二種羧酸和五種不同組合的異氰酸酯，創造了1500種不同的化合物。

“這里的優勢是圖書館的潛在可擴展性，”魯賓斯坦說。“我們只用了27種不同的成分，就在一天之內構建了一個包含1500個分子的文庫。這意味著我們不必出去尋找1500個獨特的分子。”

從那時起，研究小組使用化合物的子庫來編碼他們的圖像。一個32個化合物的圖書館被用來存儲埃及神Anubis的二進制圖像。一個由575個化合物組成的文庫被用來為畢加索一幅0.88百萬像素的小提琴畫編碼。

化學圖書館中大量可用的分子也使研究人員能夠探索其他的編碼方案，使數據的讀出更可靠。雖然質譜分析非常精確，但并不完美。因此，與任何用于存儲或傳輸數據的系統一樣，該系統將需要某種形式的錯誤糾正。

這篇論文的第一作者、布朗大學的研究生克里斯·阿卡迪亞說:“我們設計圖書館和讀取數據的方式包含了額外的信息，這些信息可以讓我們糾正一些錯誤。”“這幫助我們簡化了實驗工作流程，準確率仍然高達99%。”

研究人員說，要將這一想法推廣到實用的規模，還有更多的工作要做。但是，創建大型化學庫并將其用于編碼更大的文件的能力表明，這種方法確實可以擴展。

“我們不再受化學庫大小的限制，這一點非常重要，”羅森斯坦說。“這是向前邁出的最大一步。幾年前我們開始這個項目的時候，我們有過一些爭論，關于這種規模的東西在實驗上是否可行。所以我們能夠做到這一點，真的很令人鼓舞。”