布朗大學(xué)(Brown University)的一組研究人員在創(chuàng)建一種新型分子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的努力中取得了重大進(jìn)展。

在《自然通訊》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究小組將各種各樣的圖像文件——畢加索的一幅畫(huà)、埃及神阿奴比斯和其他神的圖像——儲(chǔ)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(chǔ)了200千字節(jié)的數(shù)據(jù)，他們說(shuō)這是迄今為止使用小分子存儲(chǔ)最多的數(shù)據(jù)。研究人員說(shuō)，與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)方式相比，這不是很多的數(shù)據(jù)，但在小分子存儲(chǔ)方面是一個(gè)重大進(jìn)展。

“我認(rèn)為這是向前邁出的重要一步，”布朗大學(xué)工程學(xué)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(shuō)。“大量獨(dú)特的小分子，我們可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量，以及數(shù)據(jù)讀出的可靠性，顯示出進(jìn)一步擴(kuò)大這一技術(shù)的前景?！?/p>

隨著數(shù)據(jù)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，人們正在做大量工作來(lái)尋找新的、更緊湊的存儲(chǔ)方式。通過(guò)在分子中編碼數(shù)據(jù)，在幾毫米的空間中存儲(chǔ)相當(dāng)于tb的數(shù)據(jù)是可能的。大多數(shù)關(guān)于分子存儲(chǔ)的研究都集中在像DNA這樣的長(zhǎng)鏈聚合物上，它們是眾所周知的生物數(shù)據(jù)載體。但與長(zhǎng)聚合物相比，使用小分子有潛在的優(yōu)勢(shì)。小分子的生產(chǎn)可能比合成DNA更容易、更便宜，而且在理論上有更高的存儲(chǔ)容量。

由化學(xué)教授布倫達(dá)·魯賓斯坦(Brenda Rubenstein)領(lǐng)導(dǎo)的美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)資助的布朗研究小組，一直致力于尋找使小分子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可行和可擴(kuò)展的方法。

為了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，研究小組使用了排列著1500個(gè)直徑小于一毫米的小點(diǎn)的小金屬片。每個(gè)點(diǎn)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(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。每種混合物的比特?cái)?shù)可以和可供混合的不同分子庫(kù)一樣大。然后可以用質(zhì)譜儀讀出數(shù)據(jù)，質(zhì)譜儀可以識(shí)別出每口井中存在的分子。

在去年發(fā)表的一篇論文中，布朗團(tuán)隊(duì)展示了他們可以使用一些常見(jiàn)的代謝物(生物體用來(lái)調(diào)節(jié)新陳代謝的分子)來(lái)存儲(chǔ)千字節(jié)范圍內(nèi)的圖像文件。在這項(xiàng)新工作中，研究人員能夠通過(guò)合成他們自己的分子來(lái)極大地?cái)U(kuò)展他們的文庫(kù)，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(yīng)來(lái)制造分子，這種技術(shù)常用于制藥行業(yè)，以快速生產(chǎn)大量不同的化合物。Ugi反應(yīng)將四大類(lèi)試劑(胺、醛或酮、羧酸和異氰酸)合成一個(gè)新分子。通過(guò)使用不同種類(lèi)的試劑，研究人員可以迅速產(chǎn)生大量不同的分子。在這項(xiàng)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(chuàng)造了1500種不同的化合物。

“這里的優(yōu)勢(shì)是圖書(shū)館的潛在可擴(kuò)展性，”魯賓斯坦說(shuō)?！拔覀冎挥昧?7種不同的成分，就在一天之內(nèi)構(gòu)建了一個(gè)包含1500個(gè)分子的文庫(kù)。這意味著我們不必出去尋找1500個(gè)獨(dú)特的分子?！?/p>

從那時(shí)起，研究小組使用化合物的子庫(kù)來(lái)編碼他們的圖像。一個(gè)32個(gè)化合物的圖書(shū)館被用來(lái)存儲(chǔ)埃及神Anubis的二進(jìn)制圖像。一個(gè)由575個(gè)化合物組成的文庫(kù)被用來(lái)為畢加索一幅0.88百萬(wàn)像素的小提琴畫(huà)編碼。

化學(xué)圖書(shū)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(shù)據(jù)的讀出更可靠。雖然質(zhì)譜分析非常精確，但并不完美。因此，與任何用于存儲(chǔ)或傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)一樣，該系統(tǒng)將需要某種形式的錯(cuò)誤糾正。

這篇論文的第一作者、布朗大學(xué)的研究生克里斯·阿卡迪亞說(shuō):“我們?cè)O(shè)計(jì)圖書(shū)館和讀取數(shù)據(jù)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(cuò)誤?！薄斑@幫助我們簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)工作流程，準(zhǔn)確率仍然高達(dá)99%?！?/p>

研究人員說(shuō)，要將這一想法推廣到實(shí)用的規(guī)模，還有更多的工作要做。但是，創(chuàng)建大型化學(xué)庫(kù)并將其用于編碼更大的文件的能力表明，這種方法確實(shí)可以擴(kuò)展。

“我們不再受化學(xué)庫(kù)大小的限制，這一點(diǎn)非常重要，”羅森斯坦說(shuō)。“這是向前邁出的最大一步。幾年前我們開(kāi)始這個(gè)項(xiàng)目的時(shí)候，我們有過(guò)一些爭(zhēng)論，關(guān)于這種規(guī)模的東西在實(shí)驗(yàn)上是否可行。所以我們能夠做到這一點(diǎn)，真的很令人鼓舞?！?/p>