理大研發新型蛋白質分子存儲技術 應對數據爆發AI時代

隨着人工智能（AI）模型訓練、大數據分析及智能設備的廣泛應用，全球每天產生海量數據，傳統硬碟及雲端存儲技術正面臨成本高、容量受限、耗電量大及壽命較短等挑戰。香港理工大學（理大）研究團隊提出以工程化蛋白質作為存儲數據的創新方案，並首次在從頭設計的人工蛋白中，實現由數據寫入至讀取的完整流程。這項技術有望建立具可持續性、高容量及高穩定性的嶄新存儲框架，以應對AI時代下全球數據的爆發式增長。

由理大應用生物及化學科技學系副系主任姚鍾平（前排中）率領的跨學科研究團隊成功在從頭設計的非天然蛋白質中完成數據存儲及讀取，為分子存儲領域帶來重大突破。團隊成員包括應用生物及化學科技學系助理教授（研究）伍卓知（後排左）、博士生周寅（後排中）與劉誠喜（後排右），以及工程學院副院長（環球事務）、電機及電子工程學系教授劉重明（前排左）與同系研究員譚偉文（前排右）。

這項跨學科研究由理大應用生物及化學科技學系副系主任及教授姚鍾平率領，覆蓋蛋白質工程、合成生物學、生物化學、分析化學及計算機科學等領域。團隊成員包括同系助理教授（研究）伍卓知，以及工程學院副院長（環球事務）兼電機及電子工程學系教授劉重明等，相關成果已刊載於國際期刊《自然通訊》（Nature Communications）。

團隊參考膠原蛋白設計出蛋白模板作為骨架，把由多個檔案編碼而成氨基酸序列嵌入，成功利用大腸桿菌表達該攜數據蛋白。

所有數碼檔案在計算機中都會被存儲為由0和1組成的位元串。分子存儲技術通常以大分子的組成單體對應位元組合，把數據「翻譯」成單體序列，再透過測序技術將其解讀。DNA（以核苷酸為單體）是現時常用的分子存儲載體，但它僅由四種核苷酸組成，存儲容量較低且較易被降解。姚教授團隊原先已開發採用多肽（以氨基酸為單體）作存儲載體的新技術，多肽可由20種天然氨基酸及多種非天然氨基酸組成，存儲容量遠高於DNA，且可被優化達到很高的穩定性；但受限於分子鏈較短，存儲效率有限，並主要依賴化學合成，生產成本較高。

蛋白質作為數據載體，在存儲容量及穩定度上均優於現時分子存儲技術常用的DNA及肽，更可以粉末或溶液形式被更穩定地保存在不同環境。

研究團隊開創性地提出以蛋白質作為數據載體。相比多肽，蛋白質擁有更長的氨基酸鏈，能提供更高的存儲效率及容量。蛋白質亦能藉由細菌或動物細胞等生物系統表達，即把基因信息植入細胞，使其合成指定蛋白，從而大規模及低成本地製造攜帶數據的蛋白質。此外，蛋白質可製成粉末或溶液，在不同環境下穩定地保存。

然而，蛋白質數據存儲技術仍面對兩大關鍵挑戰。首先，攜數據蛋白質的氨基酸序列必然高度隨機且多變，容易影響其穩定性及溶解度，因此設計並成功製備此類蛋白質的難度極高。其次，目前的蛋白質測序技術多用於鑑定，只需測得部分片段的序列，再與現存的蛋白數據庫比對即可；但要還原蛋白質中存儲的數據，則必須把全序列精準地從頭排序解析，技術要求遠高於比對數據庫所需。

為克服上述難題，研究團隊設計出一套創新方案。為提升蛋白的結構穩定性及抗降解能力，團隊參考膠原蛋白——一種可長時間保存的天然蛋白——的序列特徵，設計出蛋白模板作為「骨架」。他們把由多個檔案編碼而成的氨基酸序列嵌入該類膠原蛋白模板之中，並成功利用大腸桿菌表達該攜數據蛋白質。

在數據讀取方面，團隊利用液相色譜串聯質譜（LC-MS/MS），把蛋白分解後所得的肽段分離及測序，再結合自行開發的演算法軟件，重建完整氨基酸序列，成功把蛋白質還原為位元串。研究團隊同時配合糾錯編碼，修復測序過程中產生的少量誤差，從而高效而準確地讀取出完整數據。

團隊過往研發的多肽存儲技術曾於2020年隨載人飛船進行試驗，在探索中展現出高穩定性及應用潛力，今次提出的蛋白質存儲方案更在多方面有顯著提升。姚鍾平表示：「作為數據載體，蛋白質較常用的DNA，以及我們過去採用的多肽，展現出更多優勢。今次研究中的蛋白樣本，存儲密度達到多肽技術的30倍，而成本僅約為其一成；此外， DNA會在溶液和強酸等條件下快速被降解，而蛋白樣本在相當長時間後，還可正確讀取當中數據，證明瞭其超強穩定性。」

團隊自行開發演算法軟件，重建完整氨基酸序列，成功把蛋白質還原為位元串，完整讀取數據。

研究團隊更進一步設計出功能化蛋白，以實現隨機存取及數據加密。使用一般蛋白質進行存儲時，如要在多組數據中讀取特定內容，通常需同時讀取所有蛋白攜帶的完整資料。團隊通過在攜帶目標內容的蛋白中加入親和標籤，在純化過程中利用相應抗體「捕捉」目標蛋白，成功達到隨機存取。團隊並以此技術存儲秘密訊息，證明使用正確親和性化合物才能正確讀取此訊息，實現了數據加密功能。

姚鍾平補充：「蛋白質具穩定、易於保存及高存儲容量等特性，極具潛力用作長期大規模數據存儲載體，其良好的生物相容性更為將數據存儲於活體生物內開拓新方向。我們現階段的目標是進一步提升存儲容量及資料讀寫速度，同時降低生產成本，並設計多樣化蛋白模板，為蛋白質數據存儲技術拓展更豐富的功能。」

陝西，是華夏文明的千年沃土，是中國革命的紅色搖籃，亦是今日科技創新的烽火台。為深化青年對國家的認識，香港理工大學（理大）於5月23日至29日，舉辦首屆愛國主義教育研習營，組織師生赴西安、延安進行7天研習考察。

師生走訪楊家嶺革命舊址、寶塔山、魯迅藝術文學院舊址等地，在追尋歷史脈絡的同時，通過親身體驗與交流，共同探尋「我們從何而來」與「未來應向何處去」的答案。

香港理工大學舉辦首屆愛國主義教育研習營，校董會主席林大輝博士和副校長（教學）曹建農教授，帶領近50位師生赴西安、延安進行7天研習考察。理大供圖

黃帝陵前尋根 明確「我們從何而來」

理大醫療科技及資訊學系三年級生施采瑤坦言，以往到內地多為旅遊觀光，以品嚐美食、探訪名店為主，鮮有機會追溯民族的起源。而「我們從何而來」這個問題，在她於黃帝陵祭祖、手持清香時，找到了答案。

她描述，當時聽著導遊講述華夏文明的源流，對「根」的體認變得無比強烈，這不僅是理性的認知，更是深刻的情感觸動，「我首次真切地感受到，自己與這片古老的土地是血脈相連的。」

研習團走訪黃帝陵，參與莊嚴祭祖儀式，溯源中華五千年文明根脈。理大供圖

實境演出感悟長征精神

理大航空及民航工程學系三年級生鄧天恩亦表示，過去對延安的認識僅停留在歷史課本。直至觀看《再回延安》實境演出，她才真正身歷其境地感受到當年紅軍的艱辛歷程。

演出中，一名年輕戰士在風雪中跌倒，身旁戰友毫不猶豫伸手攙扶，眾人相依前行的場景，讓她深受觸動，「唯有親眼看見，才體會到前行者與常人一樣，會恐懼、會疲憊。」但正因他們懷着堅定的信念，才能在絕境中持續前行。她強調，「何以能夠堅持」遠比「走了多遠」更震撼人心。

鄧天恩（右二）表示觀看《再回延安》實境演出，能身歷其境地感受當年紅軍的艱辛歷程。理大供圖

長征精神啟示香港青年積極建設國家

鄧天恩指出，長征精神對當代香港青年具有深遠的啟示意義。她觀察到，身邊許多同齡人常因學業競爭與就業前景感到焦慮，甚至懷疑努力的價值。她認為，面對壓力時，與其糾結困難有多大，不如反思自身目標與信念的份量。「當我們理解到，今日的努力是為了超越自我、服務社會、貢獻國家，這種內生的使命感，將比任何外在激勵都更有力量。」

施采瑤亦建議，香港青年具備熟悉國際規則、了解內地發展的雙重優勢，不應只滿足於做旁觀者或受益者，而應成為連接內地與世界的橋樑，成為國家發展的實際貢獻者。

學生到訪秦始皇帝陵博物院、西安城牆等歷史文化地標，親身感受華夏文明的深厚底蘊。 理大供圖

立足崗位實踐「有價值」的人生

從當年的艱苦歲月，到如今國產C919翱翔天際、原研創新藥屢屢突破，這條從無到有的奮進之路，凝聚著一代代人的堅持與犧牲，而此行亦讓兩位同學找到了清晰的就業方向。

參觀西安交通大學西遷博物館後，鄧天恩表示，儘管當年條件艱苦，但無論是戰士、醫生還是文藝工作者都立足崗位，以實際行動作出貢獻。過去她認為只有從事飛機設計或前沿研發才算「有貢獻」、「有價值」。然而，在長征歲月裡，並非人人皆是開路先鋒。每一位在後方確保隊伍前行的支援者，同樣不可或缺。她願成為航空事業中的「守護者」，在國家發展的新征程上，以專業與責任護衛每一架飛機的安全起降。

研習團參觀秦創原．陝西科技創新平台。理大供圖

哪裡有事業，哪裡有愛，哪裡就是家

施采瑤坦言，以往選擇醫療影像專業時，多考慮工作穩定；但了解到前輩心懷「哪裡有事業，哪裡有愛，哪裡就是家」的信念、攜家帶口紮根西部時，她如當頭棒喝，開始思考自己如何為國家作出貢獻。

她表示，原本計劃把獎學金用於赴英國或歐洲實習，但陝西之行後，她決定前往北京協和醫院、北京大學國際醫院等地，進行前沿醫療影像研究與實習，「未來視野將不局限於香港，要更多走入大灣區、走向國家更廣闊的舞台，實現學以致用。」

理大校董會主席林大輝博士，寄語學生畢業後在發展個人事業的同時，要融入國家發展大局。理大供圖

一趟旅程重塑人生

理大一直堅持以立德樹人、愛國育才為核心，是香港首間將《中國歷史與文化》列為全體本科生必修課程的大學，亦成立中國歷史與文化研究中心，深耕中華文化教學與研究。

作為研習營首屆參與者，鄧天恩感謝理大與西安交大的精心安排，並希望未來能有更多同學獲得類似的交流機會。她建議，未來的研習活動可加強兩地學生互動，增加與專業相關的實踐體驗。

施采瑤亦鼓勵香港青年多留意相關交流機會，「這不只是了解歷史，更是擴展人脈、認識新事物的機會。」

施采瑤建議，未來的研習活動可加強兩地學生互動。理大供圖

林大輝博士強調：「『愛國』是我們作為中國人應有的責任、態度、義務和使命，是理所當然的事情。但『愛國』不能空談，也不能只留在情感上的表達。『愛國』是要參與、要行動、要投入，也要肯奉獻、肯付出、肯犧牲。」他並寄語同學返港後，向身邊親友和同學分享此行見聞，講好中國故事、香港故事、理大故事和西安交通大學故事。