DNA存储 DNA存储信息：突破极限

DNA存储 DNA存储信息：突破极限 DNA是个生物数据库，存储着我们体内的海量基因代码。科学家发现，它的这种能力其实还可以用来存储外部信息，一克DNA即能储存上千亿个千兆字节，相当于1000亿张DVD光盘的内容。近日，哈佛大学维斯生物工程研究所的研究人员将一本大约有5.34万个单词的书籍编码到不到一沙克(亿万分之一克)的DNA（脱氧核糖核酸）微芯片中，连同文字一起的还有11张图片和一段Java程序。这是迄今为止人类使用DNA遗传物质储存数据量最大的一次实验，被刊登在最新科学期刊上。团队负责人乔治丘齐(George Church)表示，“今后，拇指大小的设备或许就能存下整个互联网的信息。”DNA存储的“野心”“利用DNA来存储数据并不是一个新的概念。事实上，自从生物学确定了DNA结构，就有研究人员尝试将其用于存储和运算”，北京华大基因研究中心医学事业部主任甄二真告诉记者。他介绍，DNA由4种碱基组成，分别为A（腺嘌呤）、 C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）及 T（胸腺嘧啶），它们两两互补成对出现，共同构成了相互缠绕的双链螺旋结构。DNA可以被视为四位运算存储方式，存储量比二位运算存储大得多。“目前通用的存储模式都是二位运算的。为了存储更多数据，早已有科学家尝试过使用物理方法实现四位运算。但是技术上难以实现，只能出现有、无、中间三种状态，也就是三位运算，无法实际操作”，甄二真说，与之相比，DNA是天然的四位运算，有四个不同状态，与二位运算相比存储量大、运算速度也快得多。处于信息爆炸的时代，很多科学家尝试以DNA存储数据。比如今年初，立清华大学和德国卡尔斯鲁厄技术研究所以三文鱼的DNA作为基础，制造出单次写入多次读取的存储器。不过，这个DNA存储器的有效时长只有30小时。甄二真表示，这些DNA无法长期存储数据是因为研究人员使用的是这些细胞不仅会死亡，而且还会分裂复制，对其中存储的数据有致命性打击。合成DNA：改变存储模式为了排除细胞会死亡、分裂、变异而使数据内容发生改变的危险，丘奇率领的团队避免使用活细胞，而是采用人工合成的DNA片段，并将片段用喷墨打印机嵌入到芯片上。这一次，丘奇选择存储在合成DNA片段上的信息是他的著作再生：合成生物学将如何改变未来的自然和自己。首先，他把书中的图片、文字、程序转化为HTML格式的文件，再将其编译为由 0和1组成的电脑能够读懂的二进制数据。随后，这些二进制数据被转化为四种碱基，即把0转为A或 C，把1转成G或者T，并将其建立在DNA双链螺旋结构上来。至于读取数据的过程其实就是测序，通过DNA测序仪将DNA序列中的编码按顺序排列，还原为二进制格式的数据，用电脑“读”出来。尽管听起来很复杂，甄二真表示其中重要一步就是将二进制数据转化为4位运算数据（A、C、G、T），做成DNA链结构，这可以使存储量按级数增长。而以经化学反应得到的合成DNA取代活细胞使得这项研究成果更符合现实意义。此前以细胞内DNA来存储信息一直无法取得技术突破，只能在短期内保证数据安全，此次转换思路是被科学认可的关键。突破传统存储的极限与目前流行的存储方式相比，DNA存储的最大优势就是单位存储量大。北京邮电大学信息与通信工程学院副教授陈光表示，现在使用的光介质和磁介质在存储量上都几乎达到了极限，这就需要研究其他存储方式，比如DNA存储这样的生物介质。他告诉记者，磁介质包括磁带、磁盘、硬盘等。硬盘的存储量可达上百G，但由于现在硬盘数据存储密度提升的空间已经有限，基本不太可能出现单碟1000G的硬盘，所以如果硬盘体积不变，容量难以实现大幅突破。而CD、DVD等光介质存储对表面积的要求更大，磁介质可以分几层存储数据，光介质只能单层平铺保存信息，单位存储量更小。DNA可以很好地解决这一存储量的问题。甄二真表示，这不仅与四位运算的特性有关，也与DNA特有的双链螺旋结构有关。这一结构可以把DNA序列压缩得足够小，整个立体空间都可以利用，比磁介质和光介质的平面存储更具优势。按照哈佛团队给出的数据，“一克DNA即能储存上千亿个千兆字节，相当于1000亿张DVD光盘的内容”。此外，合成DNA的稳定性也很优秀。陈光介绍，磁介质是建立在电磁的基础上，工作环境受到限制，容易出现消磁等现象；而光介质受环境影响小一些，但耐久性不理想。与这两者相比，合成DNA不存在细胞死亡、变异等影响，在室温下很稳定，甚至可以存放数万年而不变。尚难大范围应用对于DNA存储的前景，此项目另一位负责人瑟里拉姆库苏里(Sriram Kosuri) 表示，随着DNA合成、测序价格的不断下降，这或许将成为长期存储数据的一种选择。而现阶段，它距离商业化还很远。甄二真表示，不仅是成本问题，DNA存储还存在控制难点。与二进制存储相比较，磁介质0、1之间的转换只需加磁、消磁即可实现，而光介质可以通过刻录机将数据以“平地”或“坑洼”的形式烧写在光盘上，这些都比较容易实现。而将数据“写”入DNA则困难得多，难以做到“即时写”，因此目前只有数据归档等用途。同样的，合成DNA相当费时。甄二真介绍，目前已经有自动合成仪可以将碱基连接起来，形成DNA序列，但是一般只能连接20到30对碱基，再长就难以实现了。此次哈佛团队采用的也是短DNA序列来编码数据。与写入数据费时费力相比，利用测序仪来读取DNA存储数据虽然速度也不快，但是甄二真认为，未来测序速度大幅提高相对容易实现，也就是DNA存储有可能做到“即时读”。在陈光看来，有些应用对写入数据的速度要求不高，只要读取速度可以接受就行了。此外，作为生物介质之一，DNA存储于人体更具“亲和力”，较易与人体蛋白融合。未来有一天也许可以嵌入人体内工作，这时只需存入特定数据就可以了，存储慢的问题就很好解决了。