哈佛大學(xué)研究人員提出一種用寡肽分子存儲(chǔ)信息的新方法

哈佛大學(xué)研究人員提出一種用寡肽分子存儲(chǔ)信息的新方法，信息獨(dú)立于云端之外，安全性高，數(shù)據(jù)寫入后無須額外能量即可穩(wěn)定存儲(chǔ)幾千年之久，檢索準(zhǔn)確率達(dá)到99.9%。

書籍可能被燒成灰，電腦可能被黑，DVD會(huì)降解無法讀取。盡管近年來信息存儲(chǔ)方式不斷進(jìn)步，但目前的信息存儲(chǔ)方式仍會(huì)遭到或簡(jiǎn)單或復(fù)雜的威脅的影響。無論是一場(chǎng)洪水、一把火，還是一次復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)攻擊，都可能讓記錄的珍貴信息化為烏有。

哈佛大學(xué)的信息服務(wù)中心Whitesides團(tuán)隊(duì)的新化學(xué)儲(chǔ)存方法（如下圖所示）需要的空間更少，而且無需輸入能量就可存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。

到目前為止，Cafferty和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)用這種方法記錄、存儲(chǔ)并“閱讀”了物理學(xué)家Richard Feynman的著名演講、Claude Shannon（他被稱為“信息理論之父”）和葛飾北齋的畫作《神奈川沖浪里》（右下）。到2020年，全球數(shù)字化檔案估計(jì)達(dá)到44萬億Gb（是2013年的10倍），說是“數(shù)字化海嘯”馬上就要來了一點(diǎn)也不為過。

隨著數(shù)據(jù)科學(xué)的持續(xù)繁榮，越來越多的信息在越來越小的空間中實(shí)現(xiàn)交互。即使是云存儲(chǔ)，最終的空間也會(huì)被耗盡，無法阻擋所有黑客，同時(shí)要消耗大量能量。

蛋白質(zhì)分子存儲(chǔ)信息：能耗低、安全性高、保質(zhì)期超長(zhǎng)

現(xiàn)在，哈佛大學(xué)George Whitesides團(tuán)隊(duì)提出一種存儲(chǔ)信息的新方法，可以將數(shù)據(jù)穩(wěn)定存儲(chǔ)達(dá)數(shù)百萬年之久，數(shù)據(jù)不與容易被破解的互聯(lián)網(wǎng)相連，數(shù)據(jù)一旦寫入，就不會(huì)消耗能量。這個(gè)方案只需化學(xué)家、一些廉價(jià)分子和您寶貴的信息就可實(shí)現(xiàn)。

“想想看，用一茶匙蛋白質(zhì)就能保存紐約公共圖書館的全部?jī)?nèi)容，”Brian Cafferty博士說，他是描述該技術(shù)的論文的第一作者，目前在George Whitesides博士的實(shí)驗(yàn)室中擔(dān)任博士后研究員。同時(shí)參與該研究的還有美國(guó)西北大學(xué)的Milan Mrksich博士及其團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)在ACS Central報(bào)告了他們的新方法。

“至少在現(xiàn)階段，我們認(rèn)為這種方法還不會(huì)與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式處于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，”Cafferty說?！拔覀冋J(rèn)為這個(gè)方法是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的補(bǔ)充，從初步目標(biāo)來看，我們的方法非常適合長(zhǎng)期存檔數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。”

論文一作Brian Cafferty

Cafferty的分子存儲(chǔ)工具可能無法取代云，但可以為DNA等生物儲(chǔ)存工具提供一種誘人的替代方案。最近，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了DNA編碼的不僅僅是眼睛的顏色。研究人員現(xiàn)在能夠通過合成DNA鏈來記錄任何信息。

但是，雖然DNA與計(jì)算機(jī)芯片相比較小，但放在分子世界中來看，DNA的個(gè)頭就很大了。而且DNA的合成需要熟練且時(shí)常重復(fù)的勞動(dòng)。如果存儲(chǔ)每條消息都需要從頭開始設(shè)計(jì)，那么大分子存儲(chǔ)可能會(huì)成為一種耗時(shí)長(zhǎng)、成本高的方式。

不同分子量的寡肽注入“微孔”，以二進(jìn)制編碼區(qū)分

“我們開始探索一種未從生物學(xué)中借鑒的新策略，”Cafferty說?！巴ㄟ^使用有機(jī)化學(xué)和分析化學(xué)中常見技術(shù)，開發(fā)出一種使用低分子量的分子來編碼信息的方法?！?/p>

只需一次合成就可以生成足夠的小分子，一次編碼多個(gè)視頻，這種方法比基于DNA的方法更省力，更便宜。團(tuán)隊(duì)選擇了寡肽（兩個(gè)或多個(gè)結(jié)合在一起的肽），因?yàn)槠浞肿恿亢艿停覍儆谛再|(zhì)穩(wěn)定的常見化合物，其分子比DNA，RNA都要小。

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(dāng)不同的寡肽分子混合在一起時(shí)，這種差異可以實(shí)現(xiàn)相互區(qū)分，就像字母表中的不同字母一樣。

將這些“字母”組成單詞會(huì)有點(diǎn)復(fù)雜：將不同質(zhì)量的寡肽存儲(chǔ)在384個(gè)“微孔”中，然后將寡肽混合物放置在金屬板的表面上，就像將墨水吸收存儲(chǔ)在書頁中一樣。如果想要讀取“寫下”的內(nèi)容，可以通過質(zhì)譜儀查看其中一個(gè)微孔，按質(zhì)量對(duì)分子進(jìn)行分類?？纯催@個(gè)孔中存在哪些寡肽、不存在哪些寡肽：即實(shí)現(xiàn)不同存儲(chǔ)內(nèi)容的區(qū)分。

然后，為了將混亂的分子翻譯成字母和單詞，團(tuán)隊(duì)使用二進(jìn)制編碼。例如，儲(chǔ)存字母“M”可以使用八種可能的寡肽中的四種，每種寡肽具有不同的質(zhì)量。微孔中存在的四種寡肽讀為“1”，而缺失的四種讀為“0”。這些分子二進(jìn)制代碼分別指向相應(yīng)的字母，如果存儲(chǔ)的信息是圖像，則指向相應(yīng)的像素。

使用寡肽存儲(chǔ)的32bits信息原理示意圖

使用這種方法，八種寡肽的混合物可以存儲(chǔ)一個(gè)字節(jié)的信息; 32種寡肽的混合物可以存儲(chǔ)四個(gè)字節(jié)，以此類推。

現(xiàn)在，這種存儲(chǔ)方式的檢索準(zhǔn)確率為99.9％。平均“寫入”速度為每秒8bits，“讀取”速度每秒20 bits。盡管“寫入”速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了用合成DNA書寫的速度，但對(duì)于大分子而言，“讀取”速度可能更快、更便宜。

分子存儲(chǔ)方式無須耗能，獨(dú)立于互聯(lián)網(wǎng)之外，安全性更高

未來，還可以通過引入不同類別的分子，提高存儲(chǔ)的穩(wěn)定性和容量，并降低成本。實(shí)驗(yàn)中使用寡肽是定制的，因此價(jià)格較貴。但未來的圖書館可以購買更便宜的分子（如烷硫醇），只需1美分就可以記錄1億比特的信息。

寡肽等分子具備復(fù)原能力?！霸谶m當(dāng)?shù)臈l件下，寡肽可以在數(shù)百年甚至數(shù)千年的時(shí)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(chǔ)那樣竊取分子存儲(chǔ)的內(nèi)容，分子存儲(chǔ)只能通過人工訪問。即使“小偷”發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)藏匿，也需要一點(diǎn)化學(xué)知識(shí)才能實(shí)現(xiàn)代碼檢索。

Cafferty團(tuán)隊(duì)的可擴(kuò)展的分子存儲(chǔ)庫是一種穩(wěn)定的、零能耗、抗腐蝕的存儲(chǔ)可選方案，可用于未來的信息存儲(chǔ)。因此，當(dāng)未來一旦書被燒了、計(jì)算機(jī)被黑了，DVD讀不出來了，這些分子可能還會(huì)繼續(xù)存在，以提醒未來的人類，我們?cè)?jīng)是多么喜歡那些萌萌的貓咪視頻。

該研究由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）資助。