低分子溶液硬盘！布朗大学电离研究：用代谢分子保存照片，准确率达99%-量子位

小分子溶液其实也有可能变成“硬盘”。

布朗大学的Eamonn Kennedy等人的最新研究表明，不仅DNA高分子能在有限的体积内积累大量的信息，糖、氨基酸等代谢小分子也能积累信息。

这些平时装在容器里的看似平凡的液体有这样的效果吗？

研究人员就这项技术将埃及猫、北山羊和船锚的图像保存在糖、氨基酸和其他小分子的混合溶液中，不仅可以成功保存，而且可以完成搜索任务，读取精度达到99%，超过了DNA记忆。

保存的猫的视频如下。

读取的图像几乎完全恢复猫的视频：

与此前使用DNA分子存储16GB维基百科相比，该方法具有明显的优点。

布朗工程学院教授Rosenstein认为，与DNA相比，使用代谢小分子的数据访问具有低延迟性，能够从头到尾迅速写入和读取数据。

在使用该小分子溶液访问信息的方法中，可以读取每秒5字节、每秒11字节。如果用DNA编码数据，用DNA测序读取的话，21小时也不到5字节，成本会很高。

另外，与双螺旋结构的DNA相比，代谢小分子的体形比DNA小得多，可以比DNA更密集地表示数据。

他还说，挑战了在分子数据系统中存储信息的可能性，证明了不仅仅只有DNA这样的遗传物质才能存储信息。

它还允许在离线非云上存储大量数据，从而防止黑客攻击。

该研究成果在期刊PLoS ONE上发表后，迅速进入科技新闻网站Techmeme热榜第六名。

让我们来看看这项不可思议的研究。

这是1和0的世界

虽然DNA作为遗传物质很高，但是在生物体中存储数据的任务，不能只靠DNA这样的高分子来完成。

毕竟，数据的海洋，有0和1就足够了。因此，无论是糖类、氨基酸还是其他小分子，都可以用是否存在1和0来表示。

布朗大学在副教授Jacob Rosenstein的实验室里，同伴们机智地发现了。

那么，使用什么样的物质作为记忆工具比较好呢，DNA下游的代谢物群（Metabolome）是信息量丰富的地方。

例如，伦敦国王学院的团队曾在2013年利用22种血液中的代谢物预测人的年龄和健康状况。

此外，团队表示代谢物数据具有低延迟的特点。另外，如果用代谢物写入数据的话，写入后完全不需要能量。

根据环境的不同，代谢物数据可能会保存几个月、几年。但团队表示，在极端温度、压力和机械力的作用下，分子记忆可能比电子元件更稳定。

那么，我们来看看具体的制作方法吧。

如何实现。

让溶液携带信息的过程具体是如何实现的。论文Encoding information in synthetic metabolomes揭示了背后的实现过程。

首先，请看向溶液写入和读取信息的流程图。

这个过程并不复杂。我先说一下信息写入过程。

研究人员用6种代谢物（是否存在）在钢板上显示了黑白图像的各像素点。

在这个实验中，钢板有1024分。6种代谢物分别为维生素、核苷酸、核苷酸、氨基酸、糖、代谢途径中间体，每个点可编码6个像素的黑白。

于是，这样钢板能够对6进行编码×1024=6144像素的图像。

研究人员使用专用的液体处理机器人，将少量的混合溶液散布在钢板上。

为了读取编码的图像，需要通过用化学分析方法进行基体辅助激光解吸/电离（MALDI）质谱（MS）分析来解决。

这是一种用于质谱法的温和离子化技术，可以获得一些完整的聚合物质谱消息，这些信息可以通过常规离子化方法容易地解离成碎片。

在这一步骤中，研究人员观察得到的质谱峰，判断溶液中存在哪个代谢物，并还原成原始图像。

最后，研究人员提出了一套存储在合成代谢物中的KB级图像数据集，经多质量逻辑回归解码后，准确率达到99%。

研究是好的，但还有一定的局限性。

例如，如果在一个溶液中加入多个小分子溶液，许多代谢物会相互发生化学反应，相互作用会导致信息错误或数据丢失。

使用分子的计算是一个很大的机会，表明目前的研究正处于阐明如何利用它的阶段。未来，潜力无限。

前辈：DNA存储

将代谢物作为存储工具还是一种新鲜的方法。

而且前辈的DNA存储已经是比较成熟的技术了。

DNA有四种碱基对：A-T、T-A、C-G、G-C，用于编码遗传信息。

CRISPR基因编辑技术可用于产生任何DNA序列并存储相应的数据。

去年，来自法国的高中生Adrien Locatelli曾用DNA链将圣经和古兰经的一部分编码，并将AAV2病毒作为载体注入自己的身体。

到上个月底，哈佛系初创企业Catalog将16GB的英文维基百科内容编码成DNA链。

本月早些时候，Catalog还宣布成功将1TB的数据保存在以克为单位重量的DNA中，这表明它将从明年开始商业化。

关于如何读取DNA中存在的数据，哈佛大学的一组研究人员表示。

他们在大肠杆菌的DNA中插入了骑马的动态图。

另外，对细菌的基因组进行了测序，重建了图像。

重建精度达到90%。

回顾代谢物数据提取99%的精确度，后生可畏。

传输门

布朗大学公报：

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

论文本身：

https：//journals.plos.org/plosone/article/authorsid=10.1371/journal.pone.0217364

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