研究人员报告称，将图像文件存储在含有定制合成小分子的混合物中，是分子数据存储领域的一个里程碑。
研究人员总共存储了超过200千字节的数据，他们表示，这是迄今为止使用小分子存储的数据量之最。与传统存储方式相比，这些数据并不算多，但他们表示，这对小分子存储而言是重大进展。
“大量独特小分子、我们能够存储的数据量，以及数据读取的可靠性，都显示出进一步扩大规模的巨大潜力。”共同作者、布朗大学工程学院助理教授雅各布·罗森斯坦说。
数据量与日俱增
随着数据总量不断增长，研究人员正致力于寻找新的、更紧凑的存储方式。通过将数据编码进分子，有望在仅几毫米的空间内存储相当于数太字节的数据。
关于分子存储的大多数研究都聚焦于长链聚合物，例如DNA，它是广为人知的生物数据载体。不过，与长链聚合物相比，使用小分子也有潜在优势。小分子可能比合成DNA更容易、成本更低地制备，而且理论上存储容量更大。
研究人员一直在探索如何让小分子数据存储切实可行并实现规模化。
为了存储数据，研究团队使用小型金属板，板上排列着1,500个直径不到一毫米的微小点位。每个点位都含有分子混合物。每种混合物中不同分子的存在或缺失代表数字数据。每种混合物所含的比特数，最多可与可供混合的不同分子库规模相当。随后，研究人员可以使用质谱仪读取数据；质谱仪能够识别每个孔中的分子。
在去年发表的一篇论文中，研究团队展示了如何使用一些常见代谢物存储千字节级的图像文件。代谢物是生物体用来调节新陈代谢的分子。
在这项新研究中，研究人员通过合成自己的分子，大幅扩充了分子库规模，从而也扩大了他们能够编码的文件大小。
扩大分子数据存储规模
研究团队使用乌吉反应来制备分子。这种技术常用于制药行业，可以快速制备大量不同化合物。乌吉反应将四大类试剂（胺、醛或酮、羧酸和异氰化物）结合成一个新分子。
通过使用每类中的不同试剂，研究人员能够快速制备种类繁多的不同分子。在这项研究中，团队使用了五种不同的胺、五种醛、12种羧酸和五种异氰化物，以不同组合制成1,500种不同化合物。
“这种方法的优势在于分子库有望实现规模化，”鲁宾斯坦说。“我们只用27种不同组分，就能在一天内制成一个含有1,500种分子的分子库。这意味着我们不必四处寻找1,500种独特分子。”
随后，研究团队使用化合物子库对图像进行编码。他们用一个含有32种化合物的分子库存储了埃及神祇阿努比斯的二进制图像；还用一个含有575种化合物的分子库，编码了一幅0.88百万像素的毕加索小提琴画作。
化学分子库中可用分子数量庞大，也使研究人员得以探索其他编码方案，让数据读取更加可靠。质谱分析虽然精度很高，但并非完美。因此，与任何用于存储或传输数据的系统一样，这套系统也需要某种形式的纠错机制。
“我们设计分子库和读取数据的方式包含了额外信息，能够帮助纠正一些错误。”第一作者、研究生克里斯·阿卡迪亚说。“这帮助我们简化了实验流程，同时仍实现了高达99%的准确率。”
研究人员表示，要让这一构想达到实用规模，仍有更多工作要做。不过，能够创建大型化学分子库，并用它们编码越来越大的文件，表明这种方法确实可以扩大规模。
“我们不再受化学分子库规模的限制，这一点非常重要，”罗森斯坦说。“这是这项研究最大的进步。几年前我们启动这个项目时，曾讨论过这种规模在实验上是否可行。因此，我们能够做到这一点，确实令人备受鼓舞。”
这项研究发表于《自然·通讯》。这项研究的经费来自美国国防高级研究计划局（DARPA）和美国国家科学基金会。
来源：布朗大学
