高效性的生物存儲將超越云存儲

現(xiàn)在，有一種存儲信息的新方法可以穩(wěn)定地存儲數(shù)百萬年的數(shù)據(jù)，并且不受到黑客的威脅。它的占用空間非常小，想象一下用一勺蛋白質(zhì)就可以保存整個紐約市公共圖書館的資料，一鍋蛋白質(zhì)就可以容納所有地球往事。并且一旦編寫，就不會再消耗能量。所需要的只有一個化學家，一些易得的分子和需要存儲的信息。

這是哈佛大學與西北大學合作開發(fā)的一個項目，研究結果已經(jīng)在國際學術期刊ACS Central Science發(fā)表。該項目提出并實現(xiàn)了利用易獲得、低能耗、穩(wěn)定且能超長時間保存的寡肽分子存儲數(shù)據(jù)（以二進制形式），數(shù)據(jù)檢索準確率超過99%。

利用生物存儲能力來存儲數(shù)據(jù)的想法早已有之，并且已經(jīng)有了一定的進展。比如，目前我們已經(jīng)可以通過合成DNA鏈來記錄信息，記錄的信息可以從美食照片，烹飪教程一直到擼貓視頻。但是雖然DNA與計算機芯片相比較小，但還是屬于大分子。并且，DNA的合成需要大量重復的勞動。如果每條消息都需要從頭開始設計編譯，那么大分子存儲可能會因為過于昂貴耗時而無法實現(xiàn)。

Brian Cafferty，該研發(fā)團隊的成員之一，也是論文的第一作者介紹說，于是他們的研究團隊從生物學轉向有機和分析化學尋求靈感，開發(fā)使用一種更小、更低分子量的分子來編碼信息的方法。這種存儲方式只需一次合成就可以生成足夠的小分子，用以編碼多個視頻，使這種方法無疑比基于DNA的方法更省力也更便宜。

該團隊選擇的低分子量分子是寡肽（兩個或多個結合在一起的肽），這些肽常見而穩(wěn)定，并且比DNA，RNA或蛋白質(zhì)分子量都要小。而且由于組成寡肽的氨基酸數(shù)量和類型不同，它們的分子質(zhì)量是有差異的。當不同的寡肽分子混合在一起時，這種差異可以實現(xiàn)相互區(qū)分，不同質(zhì)量的分子就像字母表中的不同字母一樣。

將這些“字母”組成單詞會有點復雜，該團隊將不同質(zhì)量的寡肽存儲在384個不同的“微孔”中，然后將寡肽混合物放置在金屬板的表面上，就像將墨水印在書頁上一樣。如果想要讀取“寫下”的內(nèi)容，可以通過質(zhì)譜儀按質(zhì)量對微孔中的分子進行分類，查看這個孔中存在哪些寡肽、不存在哪些寡肽，由此讀取內(nèi)容。

然后團隊使用二進制編碼將混亂的分子翻譯成字母和單詞。例如，字母“K”在ASCII（美國信息交換標準代碼）中被寫作01001011，就可以通過使用八種不同質(zhì)量的寡肽存儲“K”。將微孔中存在的四種寡肽讀取為“1”，而缺失的四種讀取為“0”（如下表）。這些分子二進制代碼指向相應的字母；如果存儲的信息是圖像，則指向相應的像素。使用這種方法，八種寡肽的混合物可以存儲一個字節(jié)的信息； 32種寡肽的混合物可以存儲四個字節(jié)，以此類推。

到目前為止，Cafferty和他的團隊已經(jīng)用這種方法記錄、存儲并“閱讀”了物理學家Richard Feynman的著名演講、Claude Shannon（他被稱為“信息理論之父”）的相片和葛飾北齋的畫作《神奈川沖浪里》。

經(jīng)檢驗，這種存儲方式的檢索準確率為99.9％。平均“寫入”速度為每秒8bits，“讀取”速度每秒20 bits。雖然目前還比大多數(shù)數(shù)據(jù)存儲設備要慢，但隨著技術的繼續(xù)發(fā)展，速度肯定還會提升。例如，如果噴墨打印機可以以每秒1,000次的速率產(chǎn)生液滴，就能將更多信息塞入更小的區(qū)域，或者再加以改進質(zhì)譜儀使之可以同時獲取更多信息。

未來，還可以通過引入不同類別的分子，提高存儲的穩(wěn)定性和容量，并降低成本。實驗中使用寡肽是定制的，因此價格較貴。但未來還可以考慮可以購買更便宜的分子（如烷硫醇），實現(xiàn)花1美分就可以記錄1億比特的信息。“目前，這種方法還不會取代現(xiàn)有的數(shù)據(jù)存儲方法，”Cafferty說，“我們認為它是對現(xiàn)有技術的補充，非常適合長期存檔數(shù)據(jù)存儲?！盋afferty團隊提出的分子存儲方法是一種穩(wěn)定的、零能耗、抗腐蝕的存儲可選方案。

寡肽等分子具備復原能力，可以在數(shù)百年甚至數(shù)千年的時間內(nèi)保持穩(wěn)定性。在高溫和干旱的情況下，這些分子可以在沒有光或氧的情況下存活下來。而且，黑客無法像攻破云存儲那樣竊取分子存儲的內(nèi)容，分子存儲只能通過人工訪問。即使被發(fā)現(xiàn)藏匿的數(shù)據(jù)，小偷也需要擁有足夠的化學知識才能實現(xiàn)代碼檢索。