保質幾千年！哈佛大學新研究用蛋白質分子存儲數據，比雲更安全

新智元報道

來源：harvard

編輯：大明

【新智元導讀】哈佛大學研究人員提出一種用寡肽分子存儲信息的新方法，信息獨立於雲端之外，安全性高，數據寫入後無須額外能量即可穩定存儲幾千年之久，檢索準確率達到99.9%。

書籍可能被燒成灰，電腦可能被黑，DVD會降解無法讀取。儘管近年來信息存儲方式不斷進步，但目前的信息存儲方式仍會遭到或簡單或複雜的威脅的影響。無論是一場洪水、一把火，還是一次複雜的網路攻擊，都可能讓記錄的珍貴信息化為烏有。

哈佛大學的信息服務中心Whitesides團隊的新化學儲存方法（如下圖所示）需要的空間更少，而且無需輸入能量就可存儲大量數據。

到目前為止，Cafferty和他的團隊已經用這種方法記錄、存儲並「閱讀」了物理學家Richard Feynman的著名演講、Claude Shannon（他被稱為「信息理論之父」）和葛飾北齋的畫作《神奈川衝浪里》（右下）。到2020年，全球數字化檔案估計達到44萬億Gb（是2013年的10倍），說是「數字化海嘯」馬上就要來了一點也不為過。

隨著數據科學的持續繁榮，越來越多的信息在越來越小的空間中實現交互。即使是雲存儲，最終的空間也會被耗盡，無法阻擋所有黑客，同時要消耗大量能量。

蛋白質分子存儲信息：能耗低、安全性高、保質期超長

現在，哈佛大學George Whitesides團隊提出一種存儲信息的新方法，可以將數據穩定存儲達數百萬年之久，數據不與容易被破解的互聯網相連，數據一旦寫入，就不會消耗能量。這個方案只需化學家、一些廉價分子和您寶貴的信息就可實現。

「想想看，用一茶匙蛋白質就能保存紐約公共圖書館的全部內容，」Brian Cafferty博士說，他是描述該技術的論文的第一作者，目前在George Whitesides博士的實驗室中擔任博士後研究員。同時參與該研究的還有美國西北大學的Milan Mrksich博士及其團隊。該團隊在ACS Central報告了他們的新方法。

「至少在現階段，我們認為這種方法還不會與現有的數據存儲方式處於競爭關係，」Cafferty說。「我們認為這個方法是對現有技術的補充，從初步目標來看，我們的方法非常適合長期存檔數據的存儲。」

論文一作Brian Cafferty

Cafferty的分子存儲工具可能無法取代雲，但可以為DNA等生物儲存工具提供一種誘人的替代方案。最近，科學家們發現了DNA編碼的不僅僅是眼睛的顏色。研究人員現在能夠通過合成DNA鏈來記錄任何信息。

但是，雖然DNA與計算機晶元相比較小，但放在分子世界中來看，DNA的個頭就很大了。而且DNA的合成需要熟練且時常重複的勞動。如果存儲每條消息都需要從頭開始設計，那麼大分子存儲可能會成為一種耗時長、成本高的方式。

不同分子量的寡肽注入「微孔」，以二進位編碼區分

「我們開始探索一種未從生物學中借鑒的新策略，」Cafferty說。「通過使用有機化學和分析化學中常見技術，開發出一種使用低分子量的分子來編碼信息的方法。」

只需一次合成就可以生成足夠的小分子，一次編碼多個視頻，這種方法比基於DNA的方法更省力，更便宜。團隊選擇了寡肽（兩個或多個結合在一起的肽），因為其分子量很低，而且屬於性質穩定的常見化合物，其分子比DNA，RNA都要小。

由於組成寡肽的氨基酸數量和類型不同，它們的分子質量是有差異的。當不同的寡肽分子混合在一起時，這種差異可以實現相互區分，就像字母表中的不同字母一樣。

將這些「字母」組成單詞會有點複雜：將不同質量的寡肽存儲在384個「微孔」中，然後將寡肽混合物放置在金屬板的表面上，就像將墨水吸收存儲在書頁中一樣。如果想要讀取「寫下」的內容，可以通過質譜儀查看其中一個微孔，按質量對分子進行分類。看看這個孔中存在哪些寡肽、不存在哪些寡肽：即實現不同存儲內容的區分。

然後，為了將混亂的分子翻譯成字母和單詞，團隊使用二進位編碼。例如，儲存字母「M」可以使用八種可能的寡肽中的四種，每種寡肽具有不同的質量。微孔中存在的四種寡肽讀為「1」，而缺失的四種讀為「0」。這些分子二進位代碼分別指向相應的字母，如果存儲的信息是圖像，則指向相應的像素。

使用寡肽存儲的32bits信息原理示意圖

使用這種方法，八種寡肽的混合物可以存儲一個位元組的信息; 32種寡肽的混合物可以存儲四個位元組，以此類推。

現在，這種存儲方式的檢索準確率為99.9％。平均「寫入」速度為每秒8bits，「讀取」速度每秒20 bits。儘管「寫入」速度遠遠超過了用合成DNA書寫的速度，但對於大分子而言，「讀取」速度可能更快、更便宜。

分子存儲方式無須耗能，獨立於互聯網之外，安全性更高

未來，還可以通過引入不同類別的分子，提高存儲的穩定性和容量，並降低成本。實驗中使用寡肽是定製的，因此價格較貴。但未來的圖書館可以購買更便宜的分子（如烷硫醇），只需1美分就可以記錄1億比特的信息。

寡肽等分子具備復原能力。「在適當的條件下，寡肽可以在數百年甚至數千年的時間內保持穩定性。」在高溫和乾旱的情況下，這些分子可以在沒有光或氧的情況下存活下來。而且，黑客無法像攻破雲存儲那樣竊取分子存儲的內容，分子存儲只能通過人工訪問。即使「小偷」發現數據藏匿，也需要一點化學知識才能實現代碼檢索。

Cafferty團隊的可擴展的分子存儲庫是一種穩定的、零能耗、抗腐蝕的存儲可選方案，可用於未來的信息存儲。因此，當未來一旦書被燒了、計算機被黑了，DVD讀不出來了，這些分子可能還會繼續存在，以提醒未來的人類，我們曾經是多麼喜歡那些萌萌的貓咪視頻。

該研究由美國國防部高級研究計劃局（DARPA）資助。

參考鏈接：

https://chemistry.harvard.edu/news/storage-beyond-cloud

論文：

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/pdf/10.1021/acscentsci.9b00210

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！