最近，美国锡拉丘兹大学的研究人员开发了一台蛋白质光电装置。据专家介绍，这台尚处于样机阶段的装置存储容量比目前采用的计算机存储器容量高出300倍，该装置利用激光束从含有蛋白细菌视紫红质的存储器中读写数据。

细菌视紫红质是一种吸光蛋白质，它是从生长在盐沼中的一种细菌体内提取出来的。当蛋白质吸光时，它会形成一个复杂的光循环过程，因而能使光纤和电子设备产生戏剧性变化。

早在70年代初期，科学家们就发现了这种独特的光物理特性，从此，细菌视紫红质被用于光电子装置中的优势引起了全世界科学家们的极大兴趣。去年，锡拉丘兹大学的研究人员在此领域又有了最新研究突破。科学家们在试验中意外发现，在蛋白质进行光循环过程中会产生光化学支化反应（branching reaction）。

据分子电子学凯克中心主任，纽约州锡拉丘兹大学计算机应用和软件工程设计高级技术中心研究主任，化学家罗伯特 · 伯奇（Rlbert R · Birge）介绍，就是这种支化反应，能为我们提供长效、高密的大容量数据存储功能。

伯奇指出，在操作可行的三维存储器时，我们会常常遇到下列问题。当你在大容量存储模块中读写完数据后，不能再准确地返回到原来的同一位置上，而且你还有把所输入数据写到指定区域以外的可能。

锡拉丘兹大学的研究人员则克服了这一难题。据伯奇介绍，我们利用蛋白质来充当光导“与”门。“与”门是用于建立集成电路中的5种主要类型的逻辑门之一。二进制输入信号被送入此门，二进制O状态时反应为OFF；二进制1时反应为ON。只有，也只有当两个输入信号均处于二进制1状态时，“与”门才会产生一个二进制输入信号。

以这台蛋白质样机为例，用绿激光束在存储块超薄部分触发细菌视紫红质，使其产生光循环。结果，分子门受到光催化进而导致光循环发生。2毫秒之后，在分子尚未回复到静寂状态以前，二维排列的红色正交激光束便开始朝门上发射，由此引发光化学支化反应进入“Q状态”。此时由红色激光命中目标的一组门上分子正处于分支光循环过程中。在计算机操作中，这些分子被转换成二进制1状态。门上那些未被击中的分子则会在存储块中跟随所有其它分子返回到静寂状态。计算过程中，这些分子都处于二进制O状态。两种状态均可稳定保持几年时间。

由于在存储块上我们可以从一个位置翻页到另一个位董，因此我们就能精确地选择写入数据的位置。我们还可以再通过绿激光束激活与门来读取数据。低密度红激光束然后再朝门上发射。只要那些处于二进制1状态的分子能让光通过，则二进制O状态中的分子就会吸光，整个二进制输出信号门便能因装置排列中注入了电流而显像。

可以通过发光门以并行方式在多路位置上写入数据。同样道理，门上多路二进制位数据也可以同时读出。多组数据同步操纵也即我们熟知的并行处理方式，对于存储器中每扇门而言，顺序操作时，相当于写入，需占用10毫秒时间；而读取数据时的速度则为每秒钟10兆字节。

据伯奇介绍，该速度与慢速半导体存储器类似。存储器全速运行时与并行操作中的存储模块数成正比。八个存储器模块每秒钟可对8亿个字符实施操作。

并行处理取决于顺序单光子的处理速度。来自绿激光器的首枚光子先激活光循环，来自红激光器的第二枚光子用于激活支化反应，从而形成一个稳定的光子产品。这种顺序单光子结构体系完全消除了辐射量外围多余的光化学反应。

从理论上讲，在体积相等的存储器中，光导三维存储器比二维光盘信息存储量要高出1000倍。但由于光纤的限制和可靠性的制约作用降低了这种比率，不然，三维存储器在相同容量模块上还会比在现有能力上多存储300倍的信息量，这即意味着，你可以在一块计算机插件板上造出一个可存储3.5千兆字节的存储器来。

锡拉丘兹研究小组已经在他们的试验室中研究出了生物电子装置样机，现将其分类为I型机。Ⅱ型机的生产将趋于小型化，以便能将其装入计算机内。伯奇说，“我预测，Ⅱ型机将会在未来3~4年内即可投入运行。”

在样机达到Ⅱ型标准以前，装置尚需做进一步的改进。到那时，装置便可以进行制造了。这一领域的发展速度是惊人的。伯奇所领导的研究小组是由美国空军罗马试验室，凯克基金会，国家卫生协会，以及包括全美4家主要计算机生产商在内的12家公司联合资助发起的。

研究小组的目标是想利用聚合体包裹着蛋白质来制造一种存储器板。该蛋白质在用于存储数据时，其造价同半导体相比应当相当便宜，伯奇解释说，“就目前价格而言，磁盘售价为每兆字节约1美元。我们的目标是想制造出3.5千兆字节的存储卡，其售价打算卖到600美元。尽管磁盘驱动器的价格还会下降，但我们的产品价格还是很有竞争力的。

在计算机存储器中采用细菌视紫红质，其最能使人感兴趣的主要原因是，因为该物质的热稳定性和光化学稳定性极佳。蛋白质出现在细菌的粉膜类脂基上，该细菌生长于盐沼中，盐沼内含盐浓度近似海水的6倍，这种被称之为嗜盐菌属的细菌能在极其恶劣的条件下生存，如高温，强光等。当盐沼内含氧量太低，以至于不能维持呼吸时，细菌便长出粉膜。它通过包埋在蛋白质内部的发色团从光线中吸收能量。当发色团吸光后，蛋白质结构发生变化，细菌此时则能穿过膜射出一枚光子，这样便使得化学和渗透势能得以加强，并最终成为交替能源。

据伯奇介绍，细菌视紫红质可以经受得住100万次的光化学循环而不至受损。这比众多合成光致变色材料的质量要高得多。几乎没有半导体装置能在盐沼中生存。

锡拉丘兹大学的研究人员在试验室中模拟盐沼环境培育细菌，分离蛋白质基本上没费吹灰之力，研究人员利用基因变性细菌培育出比正常体积大出10倍的蛋白质。据称，他们可以在14 L的容器中每周生产出50 mg蛋白质。

伯奇称，开发纯生物分子计算机并非是件难事。让生物分子与半导体结合，并在此基础上开发高新技术也是完全可能的。液晶显示技术便是分子和半导体技术相结合的一种典型例证，且该技术现已成功地得到广泛应用。

由于蛋白质稳定性极高，因此一般情况下它可以保持数十年不变。据伯奇宣称，“目前，我们的存储器能将信息存储5年以上时间，且不会出问题。另外，我们还打算通过采用化学和分子生物学技术来不断完善现有技术，并按照我们的设想，使数据存储期超过20年。”

同半导体相比，蛋白质存储器插件不会对环境构成任何潜在的污染。半导体在加工过程中需要进行清洗、浸蚀等，这些加工过程都会造成大面积的环境污染，而制备和分离蛋白质则不会对环境构成危害。你甚至还可以食用蛋白质，它营养丰富，只是味道不佳罢了。

锡拉丘兹大学的研究小组利用细菌视紫红质还在另外从事其它类型的存储器的应用研究工作。其中一项研究是利用蛋白质建造中性网络，用于模拟人脑联想能力。这种记忆方式即为联想式存储。联想式存储可用于接收图像，或信息组，并对一组数据进行整体记忆后组织输入。然后，存储器再返回到比较状态，或进行大范围比较输出。

当输入少量数据时，存储器就会在其自身内部为其寻找位置，并为其配备良好的重叠操作，之后再将部分的或整个联想信息反馈回来。

伯奇试验室的研究人员最近开发了一台联想式存储器装置。该装置是根据细菌视紫红质上的薄膜全息特性制造出来的。此装置的优点在于，当蛋白质被光激活后，它能有效地改变着自身的折射率。当这种折射率尚在变化时，它即能起到全息记录材料所具有的那种功能。全息照相可以允许多幅画面存储在同一记忆段上，这样可使得计算机操作者能在同一时间内进行大量的数据分析。

[C&EN，1995年5月22日]