以DNA為介質的信息儲存方法的發展

王澳

摘 要：作為一種新興儲存方式，DNA儲存系統以其極強的穩定性和極高的儲存密度備受關注。尤其是近些年隨著儲存需求的快速上升，與之相關的研究也在增加，并取得了一些令人振奮的成果。本文從儲存方法、匯編算法、未來發展等方面出發，簡要匯總了一些科研成果，并提出可能的未來發展方向，以期為該領域的進一步研究提供幫助。

關鍵詞：信息載體;DNA儲存;DNA算法

一、緒論

自信息革命以來，隨著計算機科學的發展與網絡交流，人類文明的信息量成指數級增長，又被稱作大數據時代。信息總量突破100ZB，這個數字還在以每18個月翻一番的速度急劇增長。[1]這要求儲存裝置必須要有更大的容量，還應當具有更快的運行速度，更可靠的儲存質量和更高的安全性，同時還希望足夠廉價。目前廣泛采用的半導體顆粒或是磁性儲存介質的固有缺陷愈發凸顯且基于它們的研究陷入瓶頸，難以滿足這日益增長的需求，而計算機存儲體系越發顯得后繼無力，現有的方法或許很快將會逼近其理論極限。[2]值此時，我們對發展新一代儲存裝置提出了迫切的需求。DNA存儲技術正是在這種情況下脫穎而出，受到廣大相關行業的關注與支持。

基于核物理、高能激光、超強磁場等技術的進步，全息圖儲存、原子探針、非揮發性的磁性隨機寄存器相繼面世。[3]同時，伴隨生命科學的進步，人類在自然中獲取靈感。而DNA，即脫氧核糖核酸;以其出色的穩定性，高效的可復制性和無出其右的信息密度成為新的儲存方式中強而有力的候選。在對其進行深入發掘后，以DNA為載體的信息儲存技術的概念開始發聲。研究表明DNA的編譯方式非常接近計算機程序，它們都采用順序編碼，都采用數據糾錯譯碼來保證信息的精確與完整，都通過點陣儲存信息，同時，都可以通過特定的點陣區間進行糾錯。因此，DNA儲存天然有極好的向下兼容性，適宜作為未來的信息介質。同時以DNA分子為存儲載體，以四種堿基排列組合來存儲信息，信息存儲量大，通過PCR擴增使成本降低，便于保存且安全高效，完美契合了當前我們對于信息存儲的需求。

二、DNA儲存技術的原理

DNA分子可以看作是很長的多聚核苷酸鏈，擁有數目巨大的位，因此，DNA天然具有儲存信息的功能。DNA分子由兩條互補配對的堿基鏈構成，在自然界中存在多種堿基分子，包括近年發現的5-胞嘧啶甲酰（5-formylcytosine），5-胞嘧啶羧基（5-carboxylcytosine），其中的4種A，T，G和C是構成DNA的主要堿基，它們的排列組合使得信息儲存在DNA鏈中，編譯生命活動。DNA儲存技術利用這一系統將信息編碼，通過生物或化學方法儲存在DNA中與復制，測序操作共同完成儲存器的讀寫和復制功能。這樣，DNA分子就類似于磁盤，擁有儲存與修改信息的功能。而堿基互補配對的過程就像是計算機的處理單元，從而又引發有關DNA分子計算，DNA存儲器的熱潮，吸引了大量尤其是計算機科學家的興趣。

DNA計算是隨著分子生物學的出現與發展而興起的。1994年，美國加利福利亞大學的Adleman博士在《science》上首次發表了關于DNA分子生物計算方法的開創性文章，通過生化方法求解了7個頂點的哈密頓回路問題，顯示了用DNA進行特定目的計算的問題。其研究開啟了DNA算法的先河，引得眾多學者的側目。DNA分子計算研究受生物學、遺傳學、計算機科學、化學等學科的交叉影響，內容涉及極廣。這個新觀念拓寬了人們對自然計算尤其是基本算法的理解。

三、DNA儲存技術的優勢

在漫長的生物演化中，生物體的一切生命活動都由它們的遺傳物質操縱。為了保證生物體的最終目的即繁衍遺傳，生命演化出了極端穩定的信息儲存系統。研究表明，DNA的半衰期為512年，在理想環境中可以保存100萬年以上依舊能識別完整信息。[4]這是現有的儲存介質無法企及的。由于半導體顆粒的記錄方法是儲存電子現成電容陣列，電子的緩慢釋放使得儲存時間大約為10年，磁性儲存器（硬盤，光盤或磁帶）的儲存是建立在磁疇陣列上，環境的變化及自身的干擾將使其發生不可避免的消磁。光介質例如光盤或全息儲存系統雖然不會發生上述問題，但由于自身材料的性能保存時間也在數百年之內。于是，就有人發現了DNA，DNA能夠人工合成再通過PCR技術大量擴增，這就為DNA作為信息儲存的界質提供了充足條件。同時，做為一種高度折疊的分子，DNA的儲存密度極大，達到TB級。通過PCR方法也能實現快速復制。磁力儲存系統如磁帶磁盤基于穩定性的考慮有最小磁疇面積，它們的儲存接近極限。光系統也具有最小讀取面積的問題。相對于傳統儲存技術來說，由于PCR能大量擴增DNA分子，所以批量生產的成本較低;它沒有運動部件，也不存在斷電問題，更加適合長久穩定的保存數據;DNA作為信息儲存載體，其數據儲存容量非常之大，遠遠超過當前的任何儲存方式。綜合來看，DNA作為一種新興儲存系統，在超長時間儲存，大容量儲存方向有極大優勢，且具有穩定可靠的載體，檢索速度極快，抗干擾能力強等優點，具有非常廣闊的發展前景，未來隨著技術進步極有可能成為一種常見的儲存方式。

四、DNA儲存系統的起源發展

為了實現DNA分子生理功能，DNA系統并非采用計算機語言中常見的順序邏輯（由一般到特殊、由抽象到具體、由主要到次要、由現象到本質、由原因到結果、由概念到應用）通過并行算法及分布式儲存單元，DNA系統在隨機寄存性能和魯棒性上表現良好。20世紀70年代，最早關于DNA進行信息儲存的構想就被提出：通過堿基分子的排列記錄二進制數據，通過生化方法進行記錄復制。這一構想在1988年首次實現。1994年，南加州大學課題組實現了在生化系統中運算解決哈密頓圈問題。[5]次年，DNA儲存器的首個模型被提出。[6]1999年，首次使用DNA鏈編碼并恢復了23字節的信息，Kashiwamura在2003年制造了一個高密度的小型DNA存儲器，又在兩年后證明該系統的可靠性。在2007年生物學家把枯草芽孢桿菌作為試驗對象，將信息刻入DNA。2012年1月，德國的聯合科研團隊利用三文魚的DNA制造單次寫入反復讀取的存儲器，但至多能存儲30小時。2012年9月，哈佛醫學院教授、遺傳學家George Church的團隊發表文章將5.34萬字的書籍圖片和程序存進了不到1沙克DNA中。2013年，Evan、Birney和Nick Goldman的研究團隊將十四行詩一張格式圖片一篇學術論文和26秒的演講片段以及一個文檔存進了微量的DNA片段里，把成果發到了《nature》上。2016年，微軟研究團隊將100部包括《戰爭與和平》在內的作品寄存在DNA中，又通過測序完整的讀取出內容。同時通過對DNA進行包覆等方法進一步增加了穩定性。[7]甚至通過將編碼基因導入活細胞中，實現信息的自我復制，準確度達到90%。[8]

五、DNA儲存技術現存的問題

當今社會，每天產生的信息量都極為龐大，目前的信息儲存技術已經難以完成如此巨額的工作，需要有更加適合的信息載體，DNA儲存技術應運而生。相對于傳統信息存儲技術而言，它在包括寫入、讀取、檢索、穩定、大容量、存儲時間長，穩定可靠方面都有巨大的優越性。但目前尚存在部分問題，例如DNA作為遺傳信息的載體，其存在與表達都需要其他蛋白質的參與，很容易受到外界因素的影響受到損傷，導致信息缺失，恐怕難以適應類似硬盤的信息儲存。關于核酸蛋白質的序列和結構數據十分龐大繁雜，對這些信息的管理、控制、分析、解讀也成為當前生物信息學的一大難題。DNA存儲技術的發展還需要依靠生命科學的發展，還需我們對生命機理、對DNA序列有更深刻的研究和了解。諸如此類的問題還有許多，現在DNA分子存儲技術還在起步階段，要想真正投入生產使用乃至于取代當前的存儲技術還有很長的路要走，還有許多技術難關需要克服，但應該相信其巨大的潛力可以在未來信息存儲領域發揮巨大的作用。

六、DNA存儲器的應用前景展望

DNA是人體的遺傳信息載體，經過無數年的不斷進化和殘酷的自然篩選，DNA儲存信息是一種安全可靠的信息儲存方式，DNA儲存系統的性能遠遠超過現有的任何一種人工手段。但由于DNA儲存技術尚在起步階段，人工編碼特定序列的DNA及測序工作等工作還有很多困難，許多理論尚不清楚。單分子操作、生物編程、合成后的保護等技術都亟待解決。減少非特異性雜交與保留存儲空間之間的矛盾彼消此長。[9]但或許通過增加人工合成的堿基使DNA具有更高的復雜度能解決這個問題，同時還可以確保合成DNA不能逃逸到自然界之中。[10]雖然DNA儲存系統還很不完善，距離成熟可靠的實用儲存器尚需時日。鑒于它的巨大潛力，許多機構都開展了相關的研究。例如Erlich等人發明的“水滴”法，將字符串隨機包裝成“水滴”，再將其映射到DNA上。使得每個堿基儲存1.6Bt信息并增強DNA的抗逆性。[11]未來，一切都將是數字化的，數據訓練算法也應用越來越廣泛，以DNA為載體的信息儲存技術也將越來越普遍。在這個信息大爆炸的時代，每天都有大量的信息產生，依照目前的發展速度，很快就將沒有足夠的信息儲存和計算材料可供使用，就需要有新的信息儲存方式，所以，研究DNA儲存方式是極有意義和必要的事。相信在不久的將來，以DNA為載體的信息儲存技術就會大量出現，得到廣泛的應用。

七、結語

DNA儲存技術是一種新型的信息儲存方式，具有穩定可靠、儲存量大、超長儲存時間等優點，是生物與計算機科學的交叉學科，具有十分重大的意義。雖然現在DNA存儲技術還有許多難關沒有攻破，還需要生命科學的不斷進步，對生命活動的不斷認識與了解，但這幾十年中不斷取得的發展與成果十分可喜，也印證了DNA存儲技術的巨大潛力。相信這些都不是問題，以DNA為界質的信息儲存方式必然會取代傳統的信息儲存方式，成為新時代的主流。

參考文獻：

[1]Hilbert Martin，López Priscila.The Worlds Technological Capacity to Store，Communicate，and Compute Information[J].Science，2011，332（6025）：60-65.

[2]韋丹.磁信息存儲技術的回顧與展望[J].物理，2004，33（9）：646-651.

[3]方糧.未來存儲新技術的發展方向[J].通信世界，2003，000（013）：29-30.

[4]Kaplan Matt.DNA has a 521-year half-life[EB/OL].https：//www.nature.com/news/dna-has-a-521-year-half-life-1.11555，2012-10-10.