细菌或将开启数据存储新未来学术资讯

世界上每个人每时每刻都在产生大量数据。目前，我们以1和0的形式在磁（或光学）系统中存储数据。但这种形式不可持续，会消耗能源，产生大量的碳足迹。不过我们还有另一种选择：将数据存储在DNA等生物分子中。

在自然界中，DNA在微小的空间中编码、存储并生成可读的遗传信息，具有极高的安全性和可重复性。但是，高昂的成本、缓慢的读写机制以及较高的误读率都是DNA存储发展的重大障碍。

在攻击或摧毁其他细胞时，细菌会利用一种名为“成孔毒素”的特殊蛋白质，在细胞膜上“开凿”一条管状通道，也就是“纳米孔”。在生物工程中，纳米孔可被用于“感知”生物分子，如DNA或RNA。这些分子会像弦一样通过纳米孔，在电压的控制下，不同的组成部分会产生不同的电信号，我们可以用这些电信号来识别这些分子，并读取DNA编码信息。

尽管如此，纳米孔在存储和读取数据中的应用仍然受到低分辨率的限制。

2019年，瑞士联邦理工学院生命科学学院的Matteo Dal Peraro等人证明，纳米孔可以用于检测蛋白质等更复杂的分子，今年12月9日，他们又在《科学进展》杂志上发表论文称，气单胞菌溶素（由嗜水气单胞菌制造）产生的纳米孔可以用于解码二进制信息。

在这项研究中，科学家们对气单胞菌溶素进行了改造，使其能够检测为纳米孔精确识别而定制的分子。这种被称为“数字聚合物”的分子是DNA核苷酸与非生物单体的组合，能够通过气单胞菌溶素纳米孔，发出电信号，最终被读取为数据单位。他们还优化了聚合物穿过纳米孔的速度，以便让它发出独特的可识别信号。该论文的第一作者Chan Cao博士说：“与传统的纳米孔读出不同，这种信号以单比特分辨率进行数字读取，不会影响信息密度。”研究小组使用深度学习技术解码读出信号，得以从聚合物中精确解码4比特数据。这种方法还能随机地识别聚合物混合物，并确定它们的相对浓度。

新纳米孔系统比使用DNA进行数据存储便宜得多，而且续存时间更长。此外，它也能轻易集成到便携式数据存储设备中。Matteo Dal Peraro说：“为了将这个仿生平台转变为数据存储和检索的实际产品，我们正在进行改进。但这项工作表明，生物纳米孔可以读取DNA-聚合物混合分析物。它具有超高密度、长期存储和设备便携性等重要优势，为聚合物存储器开辟了新前景。”

科界原创

编译：花花

审稿：西莫

责编：陈之涵

期刊来源：《科学进展》

期刊编号：2375-2548

原文链接：

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