哈佛大学研究人员提出一种用寡肽分子存储信息的新方法

哈佛大学研究人员提出一种用寡肽分子存储信息的新方法，信息独立于云端之外，安全性高，数据写入后无须额外能量即可稳定存储几千年之久，检索准确率达到99.9%。

书籍可能被烧成灰，电脑可能被黑，DVD会降解无法读取。尽管近年来信息存储方式不断进步，但目前的信息存储方式仍会遭到或简单或复杂的威胁的影响。无论是一场洪水、一把火，还是一次复杂的网络攻击，都可能让记录的珍贵信息化为乌有。

哈佛大学的信息服务中心Whitesides团队的新化学储存方法（如下图所示）需要的空间更少，而且无需输入能量就可存储大量数据。

到目前为止，Cafferty和他的团队已经用这种方法记录、存储并“阅读”了物理学家Richard Feynman的著名演讲、Claude Shannon（他被称为“信息理论之父”）和葛饰北斋的画作《神奈川冲浪里》（右下）。到2020年，全球数字化档案估计达到44万亿Gb（是2013年的10倍），说是“数字化海啸”马上就要来了一点也不为过。

随着数据科学的持续繁荣，越来越多的信息在越来越小的空间中实现交互。即使是云存储，最终的空间也会被耗尽，无法阻挡所有黑客，同时要消耗大量能量。

蛋白质分子存储信息：能耗低、安全性高、保质期超长

现在，哈佛大学George Whitesides团队提出一种存储信息的新方法，可以将数据稳定存储达数百万年之久，数据不与容易被破解的互联网相连，数据一旦写入，就不会消耗能量。这个方案只需化学家、一些廉价分子和您宝贵的信息就可实现。

“想想看，用一茶匙蛋白质就能保存纽约公共图书馆的全部内容，”Brian Cafferty博士说，他是描述该技术的论文的第一作者，目前在George Whitesides博士的实验室中担任博士后研究员。同时参与该研究的还有美国西北大学的Milan Mrksich博士及其团队。该团队在ACS Central报告了他们的新方法。

“至少在现阶段，我们认为这种方法还不会与现有的数据存储方式处于竞争关系，”Cafferty说。“我们认为这个方法是对现有技术的补充，从初步目标来看，我们的方法非常适合长期存档数据的存储。”

论文一作Brian Cafferty

Cafferty的分子存储工具可能无法取代云，但可以为DNA等生物储存工具提供一种诱人的替代方案。最近，科学家们发现了DNA编码的不仅仅是眼睛的颜色。研究人员现在能够通过合成DNA链来记录任何信息。

但是，虽然DNA与计算机芯片相比较小，但放在分子世界中来看，DNA的个头就很大了。而且DNA的合成需要熟练且时常重复的劳动。如果存储每条消息都需要从头开始设计，那么大分子存储可能会成为一种耗时长、成本高的方式。

不同分子量的寡肽注入“微孔”，以二进制编码区分

“我们开始探索一种未从生物学中借鉴的新策略，”Cafferty说。“通过使用有机化学和分析化学中常见技术，开发出一种使用低分子量的分子来编码信息的方法。”

只需一次合成就可以生成足够的小分子，一次编码多个视频，这种方法比基于DNA的方法更省力，更便宜。团队选择了寡肽（两个或多个结合在一起的肽），因为其分子量很低，而且属于性质稳定的常见化合物，其分子比DNA，RNA都要小。

由于组成寡肽的氨基酸数量和类型不同，它们的分子质量是有差异的。当不同的寡肽分子混合在一起时，这种差异可以实现相互区分，就像字母表中的不同字母一样。

将这些“字母”组成单词会有点复杂：将不同质量的寡肽存储在384个“微孔”中，然后将寡肽混合物放置在金属板的表面上，就像将墨水吸收存储在书页中一样。如果想要读取“写下”的内容，可以通过质谱仪查看其中一个微孔，按质量对分子进行分类。看看这个孔中存在哪些寡肽、不存在哪些寡肽：即实现不同存储内容的区分。

然后，为了将混乱的分子翻译成字母和单词，团队使用二进制编码。例如，储存字母“M”可以使用八种可能的寡肽中的四种，每种寡肽具有不同的质量。微孔中存在的四种寡肽读为“1”，而缺失的四种读为“0”。这些分子二进制代码分别指向相应的字母，如果存储的信息是图像，则指向相应的像素。

使用寡肽存储的32bits信息原理示意图

使用这种方法，八种寡肽的混合物可以存储一个字节的信息; 32种寡肽的混合物可以存储四个字节，以此类推。

现在，这种存储方式的检索准确率为99.9％。平均“写入”速度为每秒8bits，“读取”速度每秒20 bits。尽管“写入”速度远远超过了用合成DNA书写的速度，但对于大分子而言，“读取”速度可能更快、更便宜。

分子存储方式无须耗能，独立于互联网之外，安全性更高

未来，还可以通过引入不同类别的分子，提高存储的稳定性和容量，并降低成本。实验中使用寡肽是定制的，因此价格较贵。但未来的图书馆可以购买更便宜的分子（如烷硫醇），只需1美分就可以记录1亿比特的信息。

寡肽等分子具备复原能力。“在适当的条件下，寡肽可以在数百年甚至数千年的时间内保持稳定性。”在高温和干旱的情况下，这些分子可以在没有光或氧的情况下存活下来。而且，黑客无法像攻破云存储那样窃取分子存储的内容，分子存储只能通过人工访问。即使“小偷”发现数据藏匿，也需要一点化学知识才能实现代码检索。

Cafferty团队的可扩展的分子存储库是一种稳定的、零能耗、抗腐蚀的存储可选方案，可用于未来的信息存储。因此，当未来一旦书被烧了、计算机被黑了，DVD读不出来了，这些分子可能还会继续存在，以提醒未来的人类，我们曾经是多么喜欢那些萌萌的猫咪视频。

该研究由美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助。

数据科学工具生物编码

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