洛桑联邦理工学院 信用:Unsplash/CC0公共领域 2020年，世界上每个人大约生产1
每秒7兆数据
仅在一年内，这就相当于418兆字节，即4180亿兆字节的硬盘
我们目前在寿命有限的磁性或光学系统中以1和0的形式存储数据
与此同时，数据中心消耗大量能源，并产生巨大的碳足迹
简而言之，我们存储不断增长的数据量的方式是不可持续的
脱氧核糖核酸作为数据存储 但是还有一个选择:将数据存储在生物分子中，比如DNA
在自然界中，脱氧核糖核酸在微小的空间(细胞、细菌、病毒)中编码、存储和读取大量的遗传信息，并且具有高度的安全性和可重复性
与传统的数据存储设备相比，脱氧核糖核酸更持久、更紧凑，可以保留十倍以上的数据，存储密度高1000倍，存储与驱动器相同数量的数据所需的能量少1亿倍
此外，基于脱氧核糖核酸的数据存储设备非常小:一年的全球数据只需四克脱氧核糖核酸就可以存储
但是，用脱氧核糖核酸存储数据还涉及过高的成本、极其缓慢的读写机制，并且容易出现错误读取
纳米孔拯救 一种方法是使用被称为纳米孔的纳米大小的孔，细菌通常会在其他细胞中打孔来破坏它们
攻击细菌使用被称为“成孔毒素”的特殊蛋白质，这些蛋白质附着在细胞膜上，形成一个管状通道
在生物工程中，纳米孔用于“感知”生物分子，如脱氧核糖核酸或核糖核酸
分子像绳子一样通过纳米孔，由电压控制，其不同的成分产生不同的电信号(“离子信号”)，可以用来识别它们
由于它们的高精确度，纳米孔也已经被尝试用于读取脱氧核糖核酸编码的信息
尽管如此，纳米孔仍然受到低分辨率读数的限制——如果纳米孔系统用于存储和读取数据，这是一个真正的问题
溶血素纳米孔 纳米孔的潜力激发了EPFL生命科学学院的科学家探索由嗜水气单胞菌产生的造孔毒素气溶素产生的纳米孔
由EPFL生命科学学院的马特奥·达尔·佩罗领导的研究人员表明，气溶素纳米孔可以用来解码二进制信息
2019年，Dal Peraro的实验室表明，纳米孔可以用于传感更复杂的分子，如蛋白质
在这项发表在《科学进展》杂志上的研究中，该团队与亚历山德拉·拉德诺维奇(EPFL工程学院)的实验室联手，采用气溶素来检测分子，这些分子是专门为被这个孔读取而设计的
这项技术已被申请为专利
这种被称为数字聚合物的分子是在斯特拉斯堡CNRS查尔斯·萨德隆研究所的让-弗朗索瓦·卢茨实验室开发的
它们是脱氧核糖核酸核苷酸和非生物单体的组合，旨在通过溶气素纳米孔，发出电信号，可以作为一点数据读出
研究人员使用气溶素突变体系统地设计纳米孔，用于读出其信息聚合物的信号
他们优化了聚合物通过纳米孔的速度，这样它就可以发出唯一可识别的信号
“但与传统的纳米孔读数不同，这种信号以单比特分辨率提供数字读数，并且不影响信息密度，”博士说
论文第一作者曹禅
为了解码读出的信号，该团队使用深度学习，这使得他们能够以高精度解码来自聚合物的多达4位信息
他们还利用这种方法盲目地识别聚合物的混合物，并确定它们的相对浓度
该系统比使用脱氧核糖核酸进行数据存储要便宜得多，而且续航时间更长
此外，它是“可小型化的”，这意味着它可以很容易地集成到便携式数据存储设备中
“我们正在进行几项改进，以将这个受生物启发的平台转化为数据存储和检索的实际产品，”马特奥·达尔·佩罗说
“但这项工作清楚地表明，生物纳米孔可以读取混合的脱氧核糖核酸-聚合物分析物
我们很兴奋，因为这为基于聚合物的存储器开辟了新的前景，在超高密度、长期存储和设备便携性方面具有重要优势
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