詳解哈佛如何用DNA遺傳物質儲存信息
2012-09-09 13:56:46 本站原創哈佛大學研究人員將一本大約有5.34萬個單詞的書籍編碼進不到億萬分之一克的DNA微芯片，然后成功利用 DNA 測序來閱讀這本書。“今后，拇指大小的設備就能存下整個互聯網的信息。”該項目的首席研究員、哈佛大學遺傳學家喬治·丘奇說。要說信息存儲，沒有一樣比得過 DNA。人們很早就覬覦我們自身的基因代碼存儲數據的潛力，但如何將信息編碼進 DNA 遺傳物質再如何解讀出來，一直是個難題。
這是迄今為止人類使用DNA遺傳物質儲存數據量最大的一次實驗。
近日，哈佛大學維斯生物工程研究所的一群研究人員嘗試將一本大約有 5.34 萬個單詞的書籍編碼到不到一沙克(億萬分之一克)的DNA微芯片中，連同文字一起的還有11張圖片和一段Java程序。這是迄今為止人類使用DNA遺傳物 質儲存數據量最大的一次實驗。“今后，拇指大小的設備就能存下整個互聯網的信息。”該項目首席研究員、哈佛大學遺傳學家喬治·丘奇(George Church)說，被編碼進 DNA 的書正是他的大作《再生：合成生物學將如何改變未來的自然和自己》。
這項實驗被刊登在《科學》期 刊上。但因編碼存儲和讀取過程太過昂貴，DNA 存儲離商業化還有一段距離。“隨著DNA合成、測序價格的不斷下降，這或許將成為長期存儲數據的一種選擇。”哈佛大學生物學教授可蘇里(Sriram Kosuri)說。這一實驗，或許為解決未來社會爆炸性的大數據存儲指明了方向。
從二進制到堿基對編碼
DNA 是生物數據庫，它的主要功能就是存儲包含各種指令的生物信息。DNA 有 G(鳥嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)四種堿基，共同構成了相互纏繞的雙鏈階梯狀的螺旋結構。通過這四種堿基不同順序的編碼，存儲了生物所有的遺傳信息。
現代計算機技術奠基者之一馮·諾依曼曾在 1948 年提出“自動復制機器”的設想：一個能夠自我繁殖的系統，不僅能夠構建某個組成元素，結構和自己一致的下一代，也能夠把對自身的描述傳遞給下一代，如此往 復。后來隨著生物遺傳的奧妙被發現，人們意識到，DNA 雙螺旋結構正是馮·諾依曼描述的自動復制機器。
另一種主流的光存儲也在不斷挑戰存儲極限。光盤將數字編碼的視頻和音頻儲存在光盤表面的凹槽中。激光讀取這些凹槽的背面，就能播放儲存的電影節 目。光盤包含的數據越多，凹槽就必須越小、越緊湊。與之相對，讀取激光的精度也必須越來越高。普通 DVD 使用的是紅色激光在凹槽里記錄信息，藍色激光波長比紅色激光長，較小的光束聚焦更準確。此外，藍光光盤將軌距從 0.74 微米縮小到 0.32 微米。更小的凹槽，更小的光束以及更短的軌距結合，藍光的問世正是順應了大數據存儲的潮流。現在單層藍光光盤能夠保存 25GB 以上的信息，是 DVD 可儲存信息量的5倍。還有人在研發用紫外線做激光，其波長比藍光更短，如果成功，一張光盤可以保存 500GB 的數據。
這些存儲方 式有一個共同的缺點，磁片表面也好，光盤表面也好，都是單層的平鋪式地記錄和保存信息，哪怕磁盤每一層可以疊加，也和 DNA 封閉的雙螺旋立體結構無法媲美，記錄的數據量相去甚遠。一克 DNA 即能儲存上千億個千兆字節，相當于 1000 億張 DVD 光盤的內容。
隨著摩爾定律的升級，人們已經逐步接近傳統電子制造的極限。人們早就開始在自然中尋找解決問題的靈感。早在 2007 年，就有日本科學家研究利用趨磁細菌制造出和傳統計算機原件類似的東西，代替磁盤存貯數據。今年初，又爆出德國和臺灣的一個聯合科研團隊以三文魚的 DNA 作為基礎，制造出單次寫入多次讀取的存儲器。不過，那個 DNA 存儲裝置只能儲存數據至多 30 小時，且它并沒有利用 DNA 的結構進行編碼。
這是個數據爆炸的時代，無處不在的攝像頭，互聯網上成倍增長的信息，大量手持設備的照片、視頻??如果生物存儲技術足夠成熟，人們可以記錄所有想記錄的一切，而不必擔心家里沒有地方放硬盤。市政部門也不必每隔一段時間就清理街道攝像頭的視頻記錄，釋放存儲空間。
微流體和芯片實驗室的發展，讓 DNA 合成和測序變成一項日常工作。以前，要解碼一個人類基因得花幾年，現在用微流體芯片技術只要不到一天。如果用于長期存儲，這樣的速度還是可以接受的。隨著 DNA 讀寫技術的商業化，未來的 DNA 硬盤，或許會和今天的硬盤、光碟一樣普遍。
