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如今，無論是將視頻文件存儲到計算機中，還是將圖像文件存儲到手機中，我們都離不開各式各樣的存儲芯片。

（圖片來源：維基百科）

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

（圖片來源：維基百科）

DNA分子以存儲巨量生物信息而聞名。在人工設(shè)計的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中，科學(xué)家們采用DNA的興趣不斷增長。此類數(shù)據(jù)存儲設(shè)備比我們現(xiàn)有的硬盤驅(qū)動器存儲的數(shù)據(jù)要多得多。

DNA（圖片來源：維基百科）

盡管DNA與存儲芯片相比非常小，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，如果每條信息都要從頭開始設(shè)計，那么高分子存儲的工作將會變得耗時漫長、成本昂貴。

所以，科學(xué)家們希望不直接借用生物學(xué)，而是利用有機化學(xué)與分析化學(xué)中的常見技術(shù)，開發(fā)一個小型、輕量的分子來編碼信息。兩個月前，筆者介紹過哈佛大學(xué)開發(fā)出一種新的存儲方法，它可以可穩(wěn)定地存儲數(shù)據(jù)達數(shù)百萬年，而且在寫入數(shù)據(jù)之后不會消耗能量。該團隊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。

（圖片來源：Michael J. Fink）

創(chuàng)新

今天，筆者再為大家介紹一項采用小分子來存儲信息的新技術(shù)。

近日，美國布朗大學(xué)研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項研究表明，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。

（圖片來源：布朗大學(xué)）

技術(shù)

分子計算背后的想法，源于對更大數(shù)據(jù)存儲容量的日益增長的需求。據(jù)某些人估計，到2040年，全世界將產(chǎn)生3×10^24（3后面跟著24個零）比特的數(shù)據(jù)。存儲、搜索和處理所有這些數(shù)據(jù)將是一個令人生畏的挑戰(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不夠用。在與美國國防高級研究計劃局（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)存儲的選項。在生物學(xué)中，代謝組是指有機體用來調(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)，細胞和有機體用小分子來傳遞信息，但是這個機制歸納和量化起來會比較困難。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。”

研究人員組裝了他們自己設(shè)計的代謝組（含有不同分子組合的小液體混合物）?；旌衔镏刑囟ùx物出現(xiàn)與否，用于編碼一個比特位的數(shù)字信息（0或者1）。人造代謝組中分子類型的數(shù)量，決定了每個混合物可以擁有的比特位的數(shù)量。對于這項研究來說，研究人員創(chuàng)造出了6種和12種代謝物庫，這意味著每個混合物可以編碼6個比特位或者12個比特位。然后，數(shù)千個混合物，以納升尺寸的液滴形式，排列在小金屬板上。由液體處理機器人精確放置這些液滴的內(nèi)容和排列，對所需數(shù)據(jù)進行編碼。

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

研究人員采用這項技術(shù)成功編碼和檢索一系列容量多達2千字節(jié)的圖像文件。研究人員表示，與現(xiàn)代存儲系統(tǒng)相比，這個容量并不算大，但這是一個可靠的概念驗證，而且進一步擴展的潛力巨大。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。

這幅貓的圖像被存入到代謝物溶液中。（圖片來源：布朗大學(xué)）

研究人員指出這項技術(shù)還存在一些局限。例如，當許多代謝物放置在同一個溶液中的時候，相互之間會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，這就會帶來數(shù)據(jù)的錯誤和丟失。但是這個缺陷最終可能會成為一個功能。研究人員可能會利用這些反應(yīng)操控數(shù)據(jù)，在溶液中進行計算。

價值

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：“這只是一個概念驗證階段的成果，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。”

羅森斯坦表示，另一項潛在的優(yōu)勢源于這樣一個事實：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)不僅可以存儲數(shù)據(jù)，而且可以操控數(shù)據(jù)（在代謝物混合物中進行計算）。

布朗大學(xué)化學(xué)系助理教授、論文合著者之一的布倫達·魯賓斯坦（Brenda Rubenstein）表示：“采用分子進行計算是一個絕好的機遇，我們才剛剛開始搞清楚如何利用它。”

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