この研究は、微小な空間に膨大な量のデータを蓄積できる分子ストレージシステムの実現に向けた取り組みです。
DNA分子は、膨大な量の生物学的情報を担う存在として広く知られており、DNAを工学的に設計されたデータ記憶装置に活用することへの関心が高まっています。これは、現在のハードディスクをはるかに上回る量のデータを格納できる可能性を持っています。しかし、データ保存に利用できる分子はDNAだけではありません。
今回の新たな研究では、糖、アミノ酸、その他の種類の小分子を含む液体混合物の配列である人工メタボローム中にデータを保存し、取り出せることが示されました。PLOS ONEに掲載された研究で、研究者らは、キロバイト規模の画像ファイルを代謝物溶液にエンコードし、その情報を再び読み出せることを示しました。
この手法では、デジタルデータの1と0を、溶液中における特定の分子の有無に対応させます。研究者らは、この方式を用いて溶液中に画像ファイルをエンコードしました。
「これは概念実証であり、情報を保存するために、より幅広い分子の利用を考えてもらえればという期待を込めたものです」と、ブラウン大学工学部の教授で本研究の上級著者であるジェイコブ・ローゼンスタインは述べています。「ここで用いたような小分子は、状況によってはDNAを上回る情報密度を持つことさえあります」
ローゼンスタインによると、もう一つの潜在的な利点は、多くの代謝物が互いに反応して新たな化合物を形成しうるという事実に由来します。これにより、データを保存するだけでなく、操作することもできる分子システムの可能性が生まれます。代謝物の混合物の中で計算を行うことができるのです。
3,000,000,000,000,000,000,000,000ビットのデータ
分子コンピューティングという発想は、データ保存容量への需要の高まりから生まれたものです。いくつかの推計によると、2040年までに世界が生み出すデータは最大3スプティリオン（3の後に0が24個続く数）ビットに達する見込みです。これほど膨大なデータを保存、検索、処理することは困難な課題であり、従来の半導体チップでこれを行うには、地球上に十分なチップ用シリコンが存在しないかもしれません。
米国防高等研究計画局（DARPA）の資金支援を受けて、ブラウン大学のエンジニアと化学者からなるグループは、小分子を用いて新たな情報システムを構築するためのさまざまな技術に取り組んできました。
今回の新たな研究では、このグループは人工メタボロームがデータ保存の選択肢となりうるかを検証したいと考えました。生物学において、メタボロームとは、生物が代謝を制御するために用いる分子の全体的な集合を指します。
「細胞や生物が情報を伝達するために小分子を用いていることは容易に認識できますが、一般化して定量化することは難しい場合があります」と、ブラウン大学のポスドク研究員で本研究の筆頭著者であるエイモン・ケネディは述べています。「私たちは、メタボロームが正確なデジタル情報をどのようにエンコードできるかを示したいと考えました」
研究の方法
研究者らは、異なる分子の組み合わせを含む小さな液体混合物である独自の人工メタボロームを構築しました。混合物中に特定の代謝物が存在するかどうかが、デジタルデータの1ビット（0または1）を表します。人工メタボロームに含まれる分子の種類の数によって、各混合物が保持できるビット数が決まります。
今回の研究では、研究者らは6種類と12種類の代謝物からなるライブラリを作成しました。つまり、各混合物は6ビットまたは12ビットをエンコードできるということです。その後、数千の混合物が、ナノリットル規模の液滴の形で小さな金属プレート上に配列されます。液体ハンドリングロボットによって正確に配置された液滴の内容と配置によって、目的のデータがエンコードされます。
その後、プレートを乾燥させると、それぞれがデジタル情報を保持する代謝物分子の微小な斑点が残ります。データは質量分析計を用いて読み出すことができ、質量分析計はプレート上の各斑点に存在する代謝物を特定し、データを解読します。
研究者らは、この手法を用いて、最大2キロバイトのさまざまな画像ファイルのエンコードと読み出しに成功しました。現代の記憶システムの容量と比べれば大きな規模ではないものの、研究者らは、確かな概念実証であると述べています。また、規模の拡大についても大きな可能性があります。混合物のビット数は人工メタボロームに含まれる代謝物の数とともに増加し、利用可能な既知の代謝物は数千種類に上るためです。
メタボロームの可能性
研究者らは、いくつかの制約があることも指摘しています。例えば、多くの代謝物は同じ溶液中に置かれると互いに化学的に相互作用するため、エラーやデータ損失を招く可能性があります。しかし、これは最終的に機能となりうる不具合でもあります。こうした反応を活用してデータを操作し、溶液中で計算を行うことが可能になるかもしれません。
「分子を計算に用いることは非常に大きな機会であり、私たちはその活用方法をようやく見いだし始めたばかりです」と、化学の准教授で本研究の共著者であるブレンダ・ルーベンスタインは述べています。
「このような研究は、分子データシステムにおいて何が可能と考えられているかに疑問を投げかけるものです」とローゼンスタインは述べています。「情報を保存・処理できる分子はDNAだけではありません。大きな可能性を持つ他の選択肢が存在することを認識することは、非常に刺激的です」
