發(fā)布日期：2017-04-12
我們?nèi)梭w的所有信息都由DNA編碼組成。你可曾想過，DNA能夠像U盤一樣存儲信息？美國《科學(xué)》雜志近日發(fā)布的一項(xiàng)研究顯示，一克DNA的儲存容量相當(dāng)于約20萬臺電腦！具體容量約為200 PB（20萬兆）。這是因?yàn)镈NA具有密度大、穩(wěn)固耐用的特點(diǎn)。專家指出，當(dāng)今時代信息爆炸，只要解決了成本問題，那么DNA儲存技術(shù)的市場空間將無可限量。
DNA存儲技術(shù)：并非首創(chuàng)
其實(shí)DNA儲存技術(shù)早已有人在做了。2012年，哈佛大學(xué)研究人員用DNA儲存了一本五萬字的圖書。歐洲生物信息研究所（European Bioinformatics Institute ）也在DNA儲存了莎士比亞的十四行詩以及馬丁·路德·金的演講《我有一個夢想》的錄音帶。
突破性進(jìn)展：存儲效率大幅提升
盡管不是首創(chuàng)，但是，這項(xiàng)DNA存儲技術(shù)目前迎來了重大突破。研究員Erlich是該研究報(bào)告的作者之一，他表示：這是因?yàn)檫\(yùn)用了一種編碼技術(shù)，能讓DNA存儲效率提升60%，還能有效減小DNA存儲過程中的出錯率。他在美國哥倫比亞大學(xué)擔(dān)任計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授，同時也是紐約基因組中心（New York Genome Center）的核心成員。
“把數(shù)據(jù)輸入DNA只需要不到一秒鐘。DNA說白了只不過是四種核苷酸（nucleotides）排列組合的結(jié)果。我們只需要把這些核苷酸和數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。”
研究員Erlich說，一旦掌握了編碼方法，或者找到了符合編排或數(shù)據(jù)輸入要求的DNA，那接下來的工作就很輕松了。這是因?yàn)椋梢杂善髽I(yè)來負(fù)責(zé)DNA的實(shí)際制造過程。
獨(dú)特魅力
“這么做，是為了激發(fā)人們的想象力嗎？沒錯！就是想讓人們感受到科學(xué)有趣的一面！”
DNA具有密度大、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢，因此DNA儲存技術(shù)仍然比新興的同類技術(shù)更讓科學(xué)家著迷。研究員Kosuri說：“DNA儲存技術(shù)所涉及的難度，相當(dāng)于把單個原子放在一個物體表面。” 他指的是IBM公司，該公司曾在1989成功用35個氙原子拼出了“IBM”的字樣。
他說：“排列原子也不是不可能的事，但必須要運(yùn)用極高的成像技術(shù)，在接近于絕對零度的真空狀態(tài)下才能完成。這就涉及到核心技術(shù)了。相比之下，我們的DNA技術(shù)要比它更實(shí)用，雖然在存儲方面肯定沒有軟盤或U盤那么實(shí)用。”
DNA還可以儲存3D影像。雖然全息存儲（holography memory）和賽道儲存（racetrack memory ）技術(shù)也可以做到，但是研究員Kosuri說，DNA技術(shù)能儲存的密度比它們要高得多。
克服技術(shù)難點(diǎn)
但是，DNA的合成過程是非常艱辛的。研究員Kosuri表示：“難就難在，DNA合成過程中，約有5%的時間，會損失掉隨機(jī)合成的一個DNA。而且，不僅合成困難，就連讀取DNA也是一個問題。如果有一種編碼技術(shù)能夠避免這種損失，那么DNA存儲技術(shù)就會變得簡單得多，也利索得多。”
美國《科學(xué)》雜志發(fā)布的這項(xiàng)研究，的確實(shí)現(xiàn)了這種編碼技術(shù)。研究員Kosuri表示，這項(xiàng)技術(shù)可以讓DNA合成過程中出現(xiàn)的失誤容易讓人接受。這要?dú)w功于一種特殊的編碼技術(shù)，而用這項(xiàng)技術(shù)傳送數(shù)字信息，通常能夠適應(yīng)連接中斷的情況發(fā)生，比如在智能手機(jī)上播放Youtube視頻。Erlich表示，這就意味著，這種編碼技術(shù)能夠處理那些比研究中使用的DNA質(zhì)量低得多的DNA。
研究員Kosuri沒有參與該項(xiàng)研究，但他是上述2012年哈佛大學(xué)研究報(bào)告的第一作者，如今是加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的一名生物化學(xué)教授。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)工程師Grass也參與了這項(xiàng)研究，他表示，研究團(tuán)隊(duì)成功地在DNA中存儲并且恢復(fù)了一個操作系統(tǒng)，是個“優(yōu)雅的成就”。他還說：“我每天都在‘使用’DNA，所以我明白這項(xiàng)工程必須要萬無一失。” Erlich表示，他們是故意把那個操作系統(tǒng)放進(jìn)DNA的。”如果不把文件完美地恢復(fù)，那么就可能會損毀某些內(nèi)容。但我們就是要證明我們不怕把這種可能會損毀的內(nèi)容放進(jìn)DNA。”
Kosuri也同意這種方法十分高效：“我認(rèn)為他們采用了正確的實(shí)驗(yàn)測試算法。他們選對了算法，而且看起來很奏效。”
成本巨大
在化學(xué)工程師Grass看來，合成DNA的成本比編排DNA的成本還要大。他說：“雖然編排DNA的成本太高，無法實(shí)際應(yīng)用，不過現(xiàn)在有了納米微孔 (nanopore) 插入計(jì)算機(jī)進(jìn)行DNA編排的技術(shù)，所以它的成本越來越小了。但是，合成DNA的成本仍然十分之高。”
研究員Kosuri也表示：“DNA儲存技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的唯一阻礙就是，它的成本實(shí)在是太高了。關(guān)于編碼、編碼的工作方式以及這種編碼是否可靠等種種問題，我們的研究報(bào)告都一一解答了。但是，唯獨(dú)成本問題，是我們目前解決不了的。”
Grass認(rèn)為，要想讓DNA能夠儲存信息長達(dá)數(shù)百年之久，就必須要采用另外一些手段把DNA固定住。他解釋道，基因物質(zhì)可以在動物骨頭和動植物化石中固定保存，但是自由DNA卻不一樣，具有不穩(wěn)定性。如果把它放在實(shí)驗(yàn)室，一年以后里面的信息就會開始損毀了。
前景：依然明朗
研究員Kosuri已經(jīng)不再從事DNA儲存技術(shù)研究，但是他本人對這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展還是持樂觀態(tài)度。他說：“上百萬倍的成本聽起來很嚇人，但是在過去的15年，我們已經(jīng)把成本縮小為原來的上百萬分之一了。現(xiàn)在，不僅僅是編排DNA，就連合成DNA的成本也已經(jīng)有所下降。”
研究員Erlich憧憬在未來，有人可以發(fā)明一種“專門用于DNA存儲的工序，方便我們快速合成劣質(zhì)DNA”，從而減少成本。他說：“我們可以質(zhì)量參差不齊的DNA先提取出來，然后再根據(jù)編碼方式來逐步對其進(jìn)行糾正。這是我們未來的研究方向”
目前的研究是一個良好的開端。研究員已經(jīng)在DNA存儲了許多內(nèi)容，它們能靈敏地減少存儲錯誤，其中包括：一個操作系統(tǒng)、一個電腦病毒、一張價值50美元的亞馬遜禮品購物卡、1895年于法國上映的世界上第一部電影《火車到站》（Arrival of a train at La Ciotat）、航天飛行器“先驅(qū)者”（Pionner）的一塊載有人類訊息的鍍金鋁板以及美國數(shù)學(xué)家、信息論的創(chuàng)始人克勞德·艾爾伍德·香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）于1948年發(fā)表的一篇研究報(bào)告。
研究員Erlich說：“有人問我，‘你怎么能夠把視頻存進(jìn)DNA呢？’ 這也是我要向我6歲小兒子解釋的問題。”
來源：36Kr
