數據存儲的新未來，將由細菌開啟？

2020-12-11 科學大觀園雜誌


世界上每個人每時每刻都在產生大量數據。目前，我們以1和0的形式在磁（或光學）系統中存儲數據。但這種形式不可持續，會消耗能源，產生大量的碳足跡。不過我們還有另一種選擇：將數據存儲在DNA等生物分子中。

在自然界中，DNA在微小的空間中編碼、存儲並生成可讀的遺傳信息，具有極高的安全性和可重複性。但是，高昂的成本、緩慢的讀寫機制以及較高的誤讀率都是DNA存儲發展的重大障礙。

在攻擊或摧毀其他細胞時，細菌會利用一種名為「成孔毒素」的特殊蛋白質，在細胞膜上「開鑿」一條管狀通道，也就是「納米孔」。在生物工程中，納米孔可被用於「感知」生物分子，如DNA或RNA。這些分子會像弦一樣通過納米孔，在電壓的控制下，不同的組成部分會產生不同的電信號，我們可以用這些電信號來識別這些分子，並讀取DNA編碼信息。

儘管如此，納米孔在存儲和讀取數據中的應用仍然受到低解析度的限制。

2019年，瑞士聯邦理工學院生命科學學院的Matteo Dal Peraro等人證明，納米孔可以用於檢測蛋白質等更複雜的分子。今年12月9日，他們又在《科學進展》雜誌上發表論文稱，氣單胞菌溶素（由嗜水氣單胞菌製造）產生的納米孔可以用於解碼二進位信息。

在這項研究中，科學家們對氣單胞菌溶素進行了改造，使其能夠檢測為納米孔精確識別而定製的分子。這種被稱為「數字聚合物」的分子是DNA核苷酸與非生物單體的組合，能夠通過氣單胞菌溶素納米孔，發出電信號，最終被讀取為數據單位。他們還優化了聚合物穿過納米孔的速度，以便讓它發出獨特的可識別信號。

該論文的第一作者Chan Cao博士說：「與傳統的納米孔讀出不同，這種信號以單比特解析度進行數字讀取，不會影響信息密度。」

研究小組使用深度學習技術解碼讀出信號，得以從聚合物中精確解碼4比特數據。這種方法還能隨機地識別聚合物混合物，並確定它們的相對濃度。

新納米孔系統比使用DNA進行數據存儲便宜得多，而且續存時間更長。此外，它也能輕易集成到可攜式數據存儲設備中。

Matteo Dal Peraro說：「為了將這個仿生平臺轉變為數據存儲和檢索的實際產品，我們正在進行改進。但這項工作表明，生物納米孔可以讀取DNA-聚合物混合分析物。它具有超高密度、長期存儲和設備便攜性等重要優勢，為聚合物存儲器開闢了新前景。」

原創編譯：花花 審稿：西莫 責編：陳之涵

期刊來源：《科學進展》

期刊編號：2375-2548

原文連結：https://phys.org/news/2020-12-bacterial-nanopores-future-storage.html

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