小分子溶液當硬盤！布朗大學逆天研究：用代謝分子存儲照片，準確率達99%

栗子 安妮 2019-07-12 20:44:53 來源：量子位

栗子 安妮 發(fā)自 凹非寺

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小分子溶液，其實也有當“硬盤”的潛質(zhì)。

布朗大學的Eamonn Kennedy等人的最新研究發(fā)現(xiàn)：不止DNA大分子能在有限的體積里存儲大量信息，糖、氨基酸等代謝小分子也能用來存儲信息。

這些平時裝在容器中看似平平無奇的液體有這種功效？

研究人員就將這種技術，將埃及貓、北山羊和船錨圖片存到了糖、氨基酸和其他小分子的混合溶液中，不僅可以成功存儲，并且還能完成檢索任務，讀取準確率達到了99%，超過了DNA存儲。

存入的貓片是這樣的：

讀取的圖片幾乎將貓片完全還原：

相比于此前用DNA分子存儲16GB維基百科，這種方法有明顯的優(yōu)勢。

布朗工程學院教授Rosenstein認為，與DNA相比，用代謝小分子存取數(shù)據(jù)具有低延遲性，可以從頭到尾快速寫入和讀取數(shù)據(jù)。

用這種小分子溶液存取信息的方法，每秒可以寫入5個字節(jié)，每秒可讀取11個字節(jié)。而如果用DNA編碼數(shù)據(jù)，再用DNA測序來讀取，21小時也達不到5字節(jié)，成本還會十分可觀。

并且，與雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA相比，代謝小分子的體型比DNA小得多，可以比DNA更密集地表示數(shù)據(jù)。

他還表示，這項挑戰(zhàn)了在分子數(shù)據(jù)系統(tǒng)中存儲信息的可行性，證明了不是只有DNA這樣的遺傳物質(zhì)才能儲存信息。

并且，還讓離線非云存儲大量數(shù)據(jù)成為可能，從而防止黑客的攻擊。

這項研究成果在期刊PLoS ONE一發(fā)表，就迅速登上了科技新聞網(wǎng)站Techmeme的熱度總榜第6名。

來看看這項神奇的研究。

這是1和0的世界

雖然DNA貴為遺傳物質(zhì)，但在生物體里存儲數(shù)據(jù)的任務，不止DNA這樣的大分子才能做到。

畢竟，數(shù)據(jù)的海洋里，只要有0和1就足夠了。所以，不論是糖類，氨基酸，還是其他小分子，都能用存在和不存在來表示1和0。

布朗大學助理教授Jacob Rosenstein的實驗室里，小伙伴們機智地發(fā)現(xiàn)了這一點。

至于，用什么物質(zhì)做存儲工具比較好，DNA下游的代謝物組 (Metabolome) ，便是信息量豐富的所在。

舉個例子，倫敦國王學院的團隊，2013年就曾經(jīng)利用22種血液里的代謝物，來預測人的年齡和健康狀況。

除此之外，團隊說代謝物數(shù)據(jù)有低延遲的特點。并且，如果用代謝物寫入數(shù)據(jù)，寫好之后就不再需要任何的能量。

視環(huán)境而定，代謝物數(shù)據(jù)可能保存幾個月、甚至幾年。但團隊說：在極端的溫度、壓力和機械力作用下，分子存儲可能比電子元件更穩(wěn)定。

那么，來看一下具體的做法吧：

怎么實現(xiàn)？

讓溶液攜帶信息過程具體怎么實現(xiàn)的？在論文Encoding information in synthetic metabolomes中，揭秘了背后的實現(xiàn)過程。

先看在溶液中寫入和讀取信息流程大圖：

這個過程并不復雜，先說信息寫入過程。

研究人員把黑白圖像的每一個像素點，用六種代謝物 (是否存在) ，在一塊鋼板上表示出來。

在這個實驗中，鋼板上有1024個點。6種代謝物分別是維生素、核苷、核苷酸、氨基酸、糖和代謝途徑中間體 (metabolic pathway intermediates) ，這樣每個點就可以編碼6個像素的黑白。

于是，這樣一張鋼板就可以編碼6×1024=6144個像素的圖像了。

研究人員將用專門的液體處理機器人，將少量的混合溶液點在鋼板（steel plate）上。

讀取編碼后的圖像，需要借助化學分析方法基質(zhì)輔助激光解吸/電離（MALDI）質(zhì)譜（MS）分析來搞定。

這是一種用于質(zhì)譜法的溫和離子化技術，可以得到用常規(guī)離子化方法容易解離為碎片的一些完整大分子質(zhì)譜訊息。

在這一步，研究人員觀察得到的質(zhì)譜峰，判斷在溶液中到底存在哪些代謝物，然后恢復成原始圖像。

最后，研究人員還提出了存儲在合成代謝體中的千字節(jié)級圖像數(shù)據(jù)集，在用多質(zhì)量邏輯回歸進行解碼后，準確度達到了99%。

研究雖好，但還存在一定的局限性。

比如，當在一種溶液中加入多種小分子溶液時，許多代謝物彼此會發(fā)生化學反應，相互作用導致信息錯誤或數(shù)據(jù)丟失。

Rosenstein表示，使用分子進行計算是一項巨大的機會，而當前的研究還處于弄清如何利用它的階段。未來，潛力無限。

前輩：DNA存儲

用代謝物做存儲工具，還是一種新鮮的方法。

而前輩DNA存儲，已經(jīng)是比較成熟的技術了。

DNA有4種堿基對：A-T、T-A、C-G、G-C，用來編碼遺傳信息。

用CRISPR基因編輯技術，可以制造出任何DNA序列，存儲相應的數(shù)據(jù)。

去年，來自法國的高中生Adrien Locatelli，就曾經(jīng)把《圣經(jīng)》和《古蘭經(jīng)》的一部分內(nèi)容用DNA鏈編了碼，然后用AAV2病毒當載體注入自己的身體。

到了上個月底，哈佛系的初創(chuàng)公司Catalog已經(jīng)把16GB的英文維基百科內(nèi)容，編碼在了DNA鏈上。

本月初，Catalog又宣布成功把1TB的數(shù)據(jù)，存到了重量能以克計的DNA上，并且表示明年就會開始商業(yè)化。

至于，存在DNA里的數(shù)據(jù)要怎樣讀取，哈佛大學的一組研究人員是這樣展示的。

他們把一張騎馬的動圖，插入了大腸桿菌的DNA里。

又對細菌的基因組做了測序來重建圖像。

重建的準確率達到90%：

再回頭看代謝物數(shù)據(jù)提取的99%準確率，后生可畏。

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布朗大學官方報道：

https://www.brown.edu/news/2019-07-03/molecules

論文本身：

https://journals.plos.org/plosone/article/authors?id=10.1371/journal.pone.0217364

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