2019-07-04 05:45:02
分子拇指驱动器 研究人员将数字图像存储在代谢物分子中

众所周知,DNA分子是大量生物信息的载体,人们越来越关注在工程数据存储设备中使用DNA,这种设备可以容纳比我们当前硬盘更多的数据。但是新的研究表明,在分子数据存储方面,DNA并不是城里唯一的游戏。

由布朗大学研究人员领导的一项研究表明,存储和检索存储在人工代谢组中的数据是可能的 - 含有糖,氨基酸和其他类型小分子的液体混合物阵列。对于发表在PLOS ONE期刊上的论文,研究人员表明他们可以将千字节图像文件编码为代谢物解决方案并再次读取信息。

“这是一个概念验证,我们希望让人们考虑使用更广泛的分子来存储信息,”布朗工程学院教授,该研究的高级作者Jacob Rosenstein说。 “在某些情况下,像我们这里使用的小分子可以拥有比DNA更大的信息密度。”

罗森斯坦说,另一个潜在的优势源于许多代谢物可以相互反应形成新化合物的事实。这为分子系统创造了潜力,不仅可以存储数据,还可以在代谢物混合物中操纵它进行计算。

分子计算背后的想法源于对更多数据存储容量的不断增长的需求。到2040年,根据一些估计,世界将产生多达3个septillion(即3个后跟24个零)数据。存储,搜索和处理所有这些数据是一项艰巨的挑战,地球上的芯片级芯片可能没有足够的传统半导体芯片。通过与国防高级研究计划管理局(DARPA)签订的合同,布朗的一组工程师和化学家一直在研究使用小分子创建新信息系统的各种技术。

对于这项新研究,该小组希望了解人工代谢组是否可以作为数据存储选项。在生物学中,代谢组是生物体用于调节其代谢的全部分子。

“不难发现细胞和生物体利用小分子来传递信息,但可能更难以概括和量化,”布朗的博士后助理,该研究的第一作者Eamonn Kennedy说。 “我们想要证明代谢组如何编码精确的数字信息。”

研究人员组装了他们自己的人工代谢组 - 含有不同分子组合的小液体混合物。混合物中特定代谢物的存在或不存在编码一位数字数据,零或一。人工代谢组中的分子类型的数量决定了每种混合物可以容纳的位数。在这项研究中,研究人员创建了6种和12种代谢物的文库,这意味着每种混合物可以编码6或12位。然后将数千种混合物以纳升尺寸的液滴形式排列在小金属板上。由液体处理机器人精确放置的液滴的内容和排列对所需数据进行编码。

然后将板干燥,留下微小的代谢物分子点,每个分子都保存数字信息。然后可以使用质谱仪读出数据,质谱仪可以识别板上每个点处存在的代谢物并对数据进行解码。

研究人员使用该技术成功编码和检索各种大小不超过2千字节的图像文件。研究人员表示,与现代存储系统的容量相比,这并不大,但它是一个可靠的概念验证。并且有很大的扩展潜力。混合物中的比特数随着人工代谢组中代谢物的数量而增加,并且有数千种已知代谢物可供使用。

研究人员指出,存在一些局限性。例如,当放置在相同的溶液中时,许多代谢物彼此发生化学相互作用,这可能导致错误或数据丢失。但这是一个最终可能成为一个功能的错误。有可能利用这些反应来操纵数据执行解决方案计算。

“使用分子进行计算是一个巨大的机会,我们只是开始弄清楚如何利用它,”布朗达鲁宾斯坦说,他是化学的布朗助理教授,也是该研究的合着者。

“这样的研究挑战了人们认为在分子数据系统中可行的东西,”罗森斯坦说。 “DNA并不是唯一可以用来存储和处理信息的分子。令人兴奋的是,人们认识到其他可能存在的巨大潜力。”

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