具有劃時(shí)代意義的DNA存儲(chǔ)技術(shù)

李忠東/編 譯

保存100部經(jīng)典文學(xué)作品和其他多種數(shù)據(jù)

不久前，微軟公司宣布，它和美國(guó)華盛頓大學(xué)研究人員合作，利用人工合成DNA作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的技術(shù)，保存了大約200兆數(shù)據(jù)，其中有包括《戰(zhàn)爭(zhēng)與和平》在內(nèi)的100部經(jīng)典文學(xué)作品、被譯成100多種語言的《世界人權(quán)宣言》、數(shù)字圖書館“古騰堡工程” 排名前100位的電子書以及全球作物多樣性信托基金的種子數(shù)據(jù)庫(kù)等。

盡管已經(jīng)有研究證明數(shù)據(jù)可以被保存在DNA中，然而一次性向DNA寫入如此多數(shù)據(jù)還是第一次。微軟公司和美國(guó)華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功地將4個(gè)圖片文件的數(shù)據(jù)編碼為人工合成DNA片段的核苷酸序列。更重要的是，他們能實(shí)現(xiàn)逆過程——從更大的DNA池中取回正確的核苷酸序列，重建圖像，而且沒有丟失1個(gè)字節(jié)的信息。

DNA的4種堿基（A，G，C，T）可被用來作數(shù)據(jù)編碼

DNA存儲(chǔ)技術(shù)著眼于未來、具有劃時(shí)代意義，它利用人工合成的脫氧核糖核酸（DNA）作為存儲(chǔ)介質(zhì)，具有高效、存儲(chǔ)量大、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、易獲取且免維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。利用DNA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵是DNA堿基，DNA這種雙螺旋結(jié)構(gòu)上有4種化學(xué)基團(tuán)，即堿基，它們按照特定順序排列，組成遺傳信息，指導(dǎo)生物體生長(zhǎng)發(fā)育。DNA數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)同樣利用這4種堿基“字母”開發(fā)定制代碼。當(dāng)復(fù)制一份計(jì)算機(jī)文件時(shí)，DNA數(shù)字存儲(chǔ)系統(tǒng)首先把硬盤信息中的二進(jìn)制數(shù)翻譯成定制代碼，然后借助標(biāo)準(zhǔn)DNA合成機(jī)器制造出相應(yīng)的堿基序列。這一序列是多個(gè)重復(fù)片段，即便某些片段遭損毀，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室用讀取生物體DNA的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備讀取信息，能即時(shí)呈現(xiàn)在電腦屏幕上。

DNA存儲(chǔ)技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)之一是容量大。1克DNA能夠存儲(chǔ)相當(dāng)于300萬張CD的容量。用DNA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年。與硬盤、磁帶等存儲(chǔ)介質(zhì)不同的是，DNA不需要經(jīng)常維護(hù)。

1 毫克DNA分子存儲(chǔ)美國(guó)國(guó)會(huì)圖書館藏書綽綽有余

試管底部粉紅色物質(zhì)即DNA，少量DNA即可存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)

在信息存儲(chǔ)上，硬盤完全不能和DNA相提并論。在人類的基因序列中，1毫克DNA分子的信息存儲(chǔ)空間能在儲(chǔ)存美國(guó)國(guó)會(huì)圖書館全部書籍之后還有剩余。美國(guó)國(guó)會(huì)圖書館建于1800年，是美國(guó)的4個(gè)官方國(guó)家圖書館之一，也是全球最重要的圖書館之一。目前藏品總數(shù)1.3億件，包括很多稀有圖書、特色收藏、電影膠片和電視片等。

微軟公司希望在未來把DNA存儲(chǔ)介質(zhì)技術(shù)和現(xiàn)有硅技術(shù)硬盤結(jié)合起來，創(chuàng)造出更安全快速的大容量硬盤。到那時(shí)，一鞋盒DNA就足以保存100個(gè)大型數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)。

國(guó)際數(shù)據(jù)資訊公司預(yù)計(jì)，全球范圍內(nèi)保存的數(shù)據(jù)到明年將達(dá)到16萬億千兆，其中大部分位于大型數(shù)據(jù)中心。當(dāng)前的電子存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)展速度趕不上數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，無法在期望的成本內(nèi)保存所有信息。由于大數(shù)據(jù)應(yīng)用的爆發(fā)性增長(zhǎng)，提高存儲(chǔ)密度已刻不容緩。DNA作為一種極具吸引力的潛在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和商業(yè)價(jià)值，是生物芯片的核心元素。

研究團(tuán)隊(duì)將4個(gè)圖片文件的數(shù)據(jù)編碼為人工合成DNA片段的核苷酸序列

生物芯片又稱蛋白芯片或基因芯片，起源于DNA雜交探針技術(shù)與半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)相結(jié)合的結(jié)晶。它在生命科學(xué)研究及實(shí)踐、醫(yī)學(xué)科研及臨床、藥物設(shè)計(jì)、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域用途廣泛，將產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

研究人員認(rèn)為，微軟公司的成功令人關(guān)注，但制作訂制DNA分子的成本高昂，是DNA存儲(chǔ)技術(shù)大規(guī)模使用的主要障礙。如果希望人們接受這一技術(shù)，那么其成本至少要低于磁帶成本。

耐久性極好的DNA

磁帶是目前用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)介質(zhì)，隨著生物技術(shù)的進(jìn)步和DNA讀寫工具的成本下降，DNA有望最終取而代之。DNA的耐久性極好，在干燥寒冷的情況下表現(xiàn)尤為突出。2016年3月，有研究人員部分重建了古人類基因，這些古人類的骨骼保存在西班牙一處洞穴里已超過40萬年。作為對(duì)比，磁帶保存數(shù)據(jù)只有幾十年時(shí)間，隨后就會(huì)老化。

（資料來源：英國(guó)《每日郵報(bào)》）