硬碟過時是遲早的事，但用 DNA 來存儲數據是不是有點太科幻了

摘要：DNA 的存儲能力據說是同樣大小光碟的一萬億倍。

1878 年 6 月 19 日，英國著名攝影師埃德沃德·邁布里奇（Eadweard Muybridge）把 12 台雙鏡頭照相機列成一排，拍攝一名騎手騎馬快速奔跑的場景。最初的目的是想解決困擾了畫家和藝術家幾個世紀的難題——馬在奔跑時四條腿是否可以同時離地。

圖片來源：Timetoast

儘管畫面不是非常清晰，但是從其中一幅作品上還是可以看出，馬在全速奔跑的某個瞬間，四蹄是全部騰空的。後來他把這些照片放到一個在光源前面旋轉的玻璃盤上，合成了一套原始的動畫。

一個多世紀後，這段古老的動畫和前沿科技進行了一次合作——哈佛大學醫學院研究人員（http://t.cn/RKYKIwN）成功將這幅 5 幀的動畫存入了活細胞的 DNA 中。這個首次「享此殊榮」的電影片段能隨時取出，還能隨著細胞增殖而被無限複製。

用大腸桿菌的 DNA 存電影

這一研究於 7 月 12 號發表在英國《自然》雜誌上，引起了一陣驚呼。科學家們認為，這是人類在探索基因能否作為存儲設備上的一大進步。

哈佛大學兩位遺傳學家 George Church、Seth Shipman 以及他們的同事，給那部黑白電影中的每個像素指定了一個 DNA 編碼。細胞中的 DNA 只有 4 種組成部分——腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶，這 4 種分子以無數種排列方式組成了數量龐大的 DNA 鏈。

隨後，科學家們得到了一段儲存著完整電影的 DNA 序列。最後他們用一種叫做 「CRISPR」（http://t.cn/RKYKWPo）的基因編輯技術將這段 DNA 序列導入了大腸桿菌的基因組中。

儘管體內有一段「奇怪的 DNA」，大腸桿菌還是生存了下來並繁殖後代。科學家發現，儲存在基因組中的電影在每一代大腸桿菌中都完整無缺。

左邊是原始動畫，右邊是從細菌 DNA 中復原的動畫

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明尼蘇達大學（University of Minnesota）的數學教授兼數字技術專家 Andrew Odlyzko 稱這項新研究「非常了不起」。

「想像一下，我們可以把秘密交給位於我們腸道或者皮膚上的細菌，這應該是最安全的保密方式了，」他說道。

讓細菌「監控」神經元

此前，科學家已經成功將莎士比亞的十四行詩（http://t.cn/RKYKnrK）存入了 DNA 中。2012 年，Church 將自己的書《Regenesis》（http://t.cn/RKYKd72）的電子數據編輯成 DNA 形式導入了細菌體內，並通過細菌繁殖得到了 900 億份複製品。

「這應該是出版史上的最高紀錄了，」Church 在採訪中說道。

哈佛大學遺傳學家 George Church，圖片來源：Harvard University

在這些研究的基礎上，Church 和其他科學家開始醞釀一個更大膽的想法——能否將改造過的細菌植入人體細胞，記錄下細胞的一舉一動。換句話說，就是像拍電影一樣錄下每個細胞的生活。

當人生病時，醫生可以將這些細菌提取出來，觀察存儲在 DNA 中的錄像。Church 說，這就像飛機失事後人們可以通過黑匣子知道當時發生的情況一樣。

大腦包含約 860 億個神經元，然而要想知道這些神經細胞的日常活動卻是一件非常困難的事。

「目前，我們可以用電極來觀察神經元的活動，但是一個電極只能監控一個神經細胞。人的腦子裝的下 860 億個神經元，可裝不下 860 個電極啊，」Church 說道。不過，經過改造的細菌或許是理想的「偵察兵」。

科學家的想法是，通過基因工程將細菌改造成「記錄裝置」，然後讓這些細菌隨著血液到達大腦，記錄大腦神經元的活動。隨後科學家可將這些細菌提取出來，通過其 DNA 就能知道神經元在這段時間的活動狀態。

Church 和他的同事已經在過去的研究中展示了細菌能記錄細胞中被標記的 DNA。

存儲能力甩硬碟幾條街的 DNA

半個世紀前，著名物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）就提出了用 DNA 來存儲信息這一超前想法。很久之後分子生物學革命才興起，幾十年後才有科學家成功地做到了給 DNA 測序。

「基因不僅僅是文字信息，它也能做一些自己的事，」費曼在 1959 年的一次演講（http://t.cn/RKY97fB）中說道。

「想像一下，我們也能做出一件非常小的東西，讓它做我們想做的事，」他激動地說道。

「費曼博士的想法意義深遠——它給我們提供了一個方向，」南加州大學的數學家 Leonard Adleman 說道。他還是「RSA」——使用最廣泛的一種公鑰加密演算法——的創建者之一。

1994 年，Adleman 宣布（http://t.cn/RKY9bnf）他已經成功將數據存入了 DNA 中，並把 DNA 當作電腦解決了一個數學問題。他堅信，DNA 的存儲能力是同樣大小光碟的一萬億倍還不止。

數據存儲是一個越來越讓人頭疼的問題。在這個知識爆炸的年代，每天產生的數據數量驚人，因而儲存數據的技術一不小心就過時了，比如被淘汰掉的軟盤。

但 DNA 永遠都不會過時。「數十億年來，生物都在用 DNA 存儲信息，而且信息都保存完整，」Adleman 說道。他注意到，現代的細菌仍然能從幾百萬年前的昆蟲琥珀中讀取到基因信息。這是因為 DNA 很容易保存，只需放在冷、暗、乾燥處，沒有恆溫恆濕的苛刻要求。它還非常穩定，存放上百萬年都沒問題。

除此之外，DNA 合成測序，使用的設備和方法都是生物學研究的常規工具。這使得 DNA 的存儲有效地避開了因設備技術更新換代而起的許多麻煩。所以 DNA 是數碼信息長期存儲的理想材料，而且存儲的時間越長，越能顯出優越性。

DNA 真正取代硬碟還要多久？

DNA 作為存儲介質，也有顯著的弱點。首先是成本太高。歐洲生物信息研究所（EBI）的高德曼團隊的實驗費用高得驚人：每一兆位元組的存儲費用是 12,400 美元，外加測序解讀 220 美元。這是常規磁帶存寫費用的一百多萬倍。

第二，信息讀寫非常耗時。數碼信息編入 DNA 目前只能由專門的 DNA 合成設備來做；而從 DNA 中讀取信息，重組復原為數碼文件也很費時。高德曼團隊用了整整兩個星期，才完成五個文件 739 千位元組的復原。

第三，DNA 介質不能重複使用，寫錄完畢，一般來說不能修改、不能再用。可是，我們已經習慣了常規存儲，如硬碟和 U 盤的便利。幾十塊錢的 U 盤，插入電腦，就能周而復始地存取文檔。

這些「簡單」的基本功能，DNA 介質卻難以勝任。

硬碟、U 盤、細菌 DNA 在讀寫速度、數據保留時間、耗電量、數據密度上的對比，圖片來源：Nature

「人們的本能反應是，DNA 分子那麼渺小，怎麼能儲存海量信息呢？」Birney 博士說到。

「儘管這些想法很超前，但我們起碼知道，這些生物技術誕生的時間肯定前人預測的要早，」Church 說到。

他舉出了人類基因組測序的例子。此前，一些比較樂觀的科學家預測這將花費至少 60 年的時間，每組基因測序的費用將高達 1000 美元（測完人類 30 億個鹼基對將需要 3 萬億美元）。而於 1990 年正式啟動的「人類基因組計劃」只用了十年時間，花費 30 億美元。

DNA 存儲著生物體的奧秘，是個非常大的「數據盤」。當克服了存儲和讀取上的難題，也許未來某一天，我們所有的硬碟、U 盤、網盤都可以丟到一邊。用一塊硬幣大小的 DNA，就能存儲我們一生需要的數據了。

參考資料：The New York Times（http://t.cn/RKY9oIG）

頭圖來源：Geenius（http://t.cn/RKY9NvB）

本文由極客公園原創

轉載聯繫 wangxue@geekpark.net

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