Главные Новости
Владимир Зеленский Техно Кино Автоновости
Молекулярные накопители: исследователи хранят цифровые изображения в молекулах метаболитов
Автор: Allnewsua.live

Молекулы ДНК хорошо известны как носители огромного количества биологической информации, и растет интерес к использованию ДНК в специально разработанных устройствах хранения данных, которые могут хранить значительно больше данных, чем наши современные жесткие диски. Но новое исследование показывает, что ДНК не единственная игра в городе, когда дело доходит до хранения молекулярных данных.

Исследование, проведенное учеными из Университета Брауна, показывает, что можно хранить и извлекать данные, хранящиеся в искусственных метаболомах - массивах жидких смесей, содержащих сахара, аминокислоты и другие типы малых молекул. Для статьи, опубликованной в журнале PLOS ONE, исследователи показали, что они могут кодировать файлы изображений в масштабе килобайта в растворы метаболитов и снова считывать информацию обратно.

«Это подтверждение концепции, которая, как мы надеемся, заставляет людей задуматься об использовании более широкого спектра молекул для хранения информации», - сказал Джейкоб Розенштейн, профессор Технической школы Брауна и старший автор исследования. «В некоторых ситуациях маленькие молекулы, подобные тем, которые мы использовали здесь, могут иметь еще большую плотность информации, чем ДНК».

Другое потенциальное преимущество, говорит Розенштейн, связано с тем, что многие метаболиты могут вступать в реакцию друг с другом с образованием новых соединений. Это создает потенциал для молекулярных систем, которые не только хранят данные, но и манипулируют ими - выполняя вычисления в смесях метаболитов.

Идея молекулярных вычислений проистекает из растущей потребности в большей емкости хранения данных. К 2040 году мир, по некоторым оценкам, произведет до 3 септиллионных (то есть 3 с 24 нулями) бит данных. Хранение, поиск и обработка всех этих данных является сложной задачей, и на Земле может просто не хватить кремниевого чипа, чтобы сделать это с традиционными полупроводниковыми чипами. Финансируемая контрактом с Администрацией перспективных исследовательских проектов в области обороны (DARPA), группа инженеров и химиков из Брауна работает над различными методами использования малых молекул для создания новых информационных систем.



В этом новом исследовании группа хотела посмотреть, могут ли искусственные метаболомы быть вариантом хранения данных. В биологии метаболом - это полный набор молекул, которые организм использует для регулирования своего метаболизма.

«Нетрудно признать, что клетки и организмы используют небольшие молекулы для передачи информации, но может быть сложнее обобщать и количественно определять», - сказал Имонн Кеннеди, сотрудник докторской диссертации Брауна и первый автор исследования. «Мы хотели продемонстрировать, как метаболом может кодировать точную цифровую информацию».

Исследователи собирали собственные искусственные метаболомы - небольшие жидкие смеси с различными комбинациями молекул. Наличие или отсутствие определенного метаболита в смеси кодирует один бит цифровых данных, ноль или единицу. Количество типов молекул в искусственном метаболоме определяет количество битов, которое может содержать каждая смесь. Для этого исследования ученые создали библиотеки из шести и 12 метаболитов, что означает, что каждая смесь может кодировать шесть или 12 бит. Затем тысячи смесей выкладывают на маленькие металлические пластины в форме капель размером с нанолитер. Содержимое и расположение капель, точно размещенных роботом, работающим с жидкостью, кодируют нужные данные.

Затем чашки высушивают, оставляя крошечные пятна молекул метаболитов, каждая из которых содержит цифровую информацию. Затем данные могут быть считаны с использованием масс-спектрометра, который может идентифицировать метаболиты, присутствующие в каждом месте на пластине, и декодировать данные.

Исследователи использовали эту технику, чтобы успешно кодировать и извлекать различные файлы изображений размером до 2 килобайт. По словам исследователей, это не так много по сравнению с возможностями современных систем хранения, но это серьезное подтверждение концепции. И есть большой потенциал для расширения. Количество битов в смеси увеличивается с увеличением количества метаболитов в искусственном метаболоме, и для использования доступны тысячи известных метаболитов.

Исследователи отмечают, что существуют некоторые ограничения. Например, многие метаболиты химически взаимодействуют друг с другом при помещении в один и тот же раствор, что может привести к ошибкам или потере данных. Но это ошибка, которая в конечном итоге может стать функцией. Может быть возможно использовать эти реакции для манипулирования данными - выполнения вычислений в растворе.



«Использование молекул для вычислений - огромная возможность, и мы только начинаем выяснять, как этим воспользоваться», - сказала Бренда Рубенштейн, доцент кафедры химии Брауна и соавтор исследования.

«Подобные исследования бросают вызов тому, что люди считают возможным в системах молекулярных данных», - сказал Розенштейн. «ДНК - не единственная молекула, которую можно использовать для хранения и обработки информации. Приятно осознавать, что есть и другие возможности с огромным потенциалом ».

Источник: Браун Университет

Перекладено з Technology Org.


Читать также: