DNA存儲，開啟數據新時代

DNA存儲，開啟數據新時代

文/holiso

數據新時代

忘了磁碟、磁帶、晶元和U盤這些磁性介質吧，那都是上個世紀的事了。雲盤？它只是你看不到但確實存在某處的網路儲存空間。所有這些與如今最前沿的DNA存儲相比，都顯得老態龍鍾。是的，脫氧核糖核酸似乎為數據存儲帶來了新的解答。

存儲的未來是什麼？

DNA存儲！這一定是很奇妙的事情，但你無法想像這會是怎樣的畫面。只能在顯微鏡下才能看到？能否將你的所有數據備份到DNA然後將其植入人體內？儲存全球所有人的檔案（包括家庭相片、自拍文件、影像資料、音樂文件和個人信息等），只需一個不到100平方米的房間。可以確定的是，在未來半個世紀里，甚至更短的時間內，DNA確實能夠儲存數量驚人的信息，比如照片、書籍、音樂，甚至是視頻！這一點也不「科幻」，事實上，在科學家完全繪製出基因組圖譜之前，在破解核苷酸的密碼過程中，少數人就已經想到這種生命結構單元的新用途。看上去，這些雙螺旋能做的不僅僅是承載藍色眼睛、微積分天才或是三分線外遠射能力的基因。那些扭曲的淘氣鬼也可以用來存儲數據。這裡的數據指的是我們過去幾年間涉及到的——大數據、物聯網數據、網路數據、移動數據、社交數據。

科學家幾年前就了解到這個事實，人們已經知道怎麼在DNA上保存數據了。2016年4月，著名的好萊塢影視技術公司特藝集團研發團隊發布的一則消息引起了轟動，他們宣稱自己已經在幾段DNA上儲存了100萬份《月球旅行記》的拷貝，那是一部由電影藝術先驅、法國導演喬治·梅里愛於1902年拍攝的電影。特藝集團的成就並非首創。早在2012年和2013年，就有兩個團隊將一本300頁的書、若干圖像、一個PDF文件，甚至聲音成功地儲存在了DNA上。新奇之處在於其所編碼的信息類型。這是人類第一次成功地把視頻資料儲存到了DNA上。這也意味著現在已經可以在這種分子上存儲一切數碼信息。

生物分子變身硬碟

這個消息來得正是時候！如今，人類產生越來越多的信息，而儲存它們變得越來越困難。在電腦和手機的時代，我們現在每年製造出來的數據要比人類有文字以來產生的數據總和還要多！預計從2013年到2020年，這一數據量將增長11倍，且這種趨勢並無逆轉跡象。根據數據儲存專業公司易安信的計算，如果用內存為128GB的蘋果iPad Air來儲存這些數據，那所需的蘋果iPad Air疊起來可以在地球到月球之間堆6次。數字化信息數量的飛速增長很快就會令人應接不暇，人類呼喚比現有儲存系統更高效的新系統。DNA存儲恰能滿足以上需求。作為最古老的信息儲存系統，數十億年來，它一直是生物遺傳信息的載體，DNA能將數量驚人的數據儲存在極小的體積里，因此也是最高效的：在體積不到一隻螞蟻的百分之一的人類細胞核中，DNA包含有35億對鹼基，而鹼基是編碼遺傳信息最基本的材料。在硬碟上，信息以位元組0或1的形式記錄，每個位元組要佔200納米（0.0002毫米）的空間；而在DNA上，記錄一個位元組只需0.2~0.3納米。

如今，谷歌和亞馬遜為了儲存數據，需要多個面積數倍於標準足球場的數據中心的支持，而且這還很耗電。而用DNA這種新型載體，只需一個汽車後備箱就能滿足它們所有數據的儲存需求！DNA在儲存體積上的優勢也引起了電影公司的興趣。僅就我國而言，每年要拍攝上千部電影和電視劇，這將產生龐大的數據量。一首MP3格式的歌曲差不多有4MB，但是一部長達兩小時的電影，即使壓縮成MP4的格式，也要佔據700MB。有了DNA儲存技術，現在可以成功地把自20世紀以來拍攝的所有影片都儲存在兩到三個火柴盒裡！

那麼，特藝集團的科學家又是如何把100萬份電影拷貝存到DNA上的呢？過程並不容易，為此他們還請來美國基因學家喬治當顧問，因為早在2012年，他就成功地把一本300頁的書存到了DNA上面。他們首先將梅里愛的電影數碼化，轉化成電腦能識讀的二進位語言，也就是轉化成一系列0和1的編碼。然後研究人員將這些二進位編碼轉化成由4個鹼基（A、C、G、T）構成的DNA編碼。得到這串編碼後，就能製成相應的DNA序列，並在合成器(一種能自動拼接A、C、G、T的機器）的幫助下，拷貝數千份。這樣就獲得了一些DNA片段，它們如頭髮絲一樣漂浮在裝有液體的玻璃容器里，每一份都包含著電影的一個片段。

未來道路一片光明

接著就要證實反向操作的可行性了，也就是從這些片段中讀取電影。研究人員使用了另一種名為排序器的機器，它能自動按序讀取DNA分子里A、C、G、T序列。電腦接手完成剩餘工作，把這一系列編碼轉化成一連串0和1，再把二進位編碼轉成圖像。只需一天不到的時間，就能將電影精準重現。不過，目前這項技術還在實驗階段：現在把電影轉化成能漂在試管里的DNA要花費一個多月的時間！但是前景一片光明。尤其是因為DNA儲存的另一張王牌就是它的持久性。只要儲藏空間保持寒冷乾燥且避光，保存時效就可長達數世紀，甚至更長。人們在冰層里發現了幾萬年前猛獁象的DNA，還能成功將其破譯出來，就是最好的證明。

現有的其他載體，無論是硬碟、CD還是DVD，最多只能保存數十年，過了這個期限，首先硬體就會更新換代，再也找不到能讀取它們的機器了！但DNA儲存就沒有此類問題：只要有人類存在，就一定會有破譯編碼的技術。不過DNA儲存還無法立即取代硬碟。讀取（排序）尤其是寫入（合成）所需的時間還是太漫長了。排序最快也要幾個小時，而合成則需要花上幾周的時間。不僅如此，這兩個步驟目前耗資甚巨，合成成本可達數百甚至數千歐元。但數十年後，或許DNA儲存就會普及，要知道此類技術的花費會大幅降低。比如與2002年時相比，如今DNA測序費用僅為當初的5萬分之一！對於沒有迫切使用需求的信息，我們就可以考慮用DNA來儲存。事實上，DNA儲存已經引起了電影公司、博物館、檔案館，還有諸如亞馬遜、谷歌這類有長期信息儲存需求機構的興趣。信息技術巨頭微軟公司即於2016年4月28日宣布，將購買1000萬條DNA，用於研究數據儲存。毫無疑問DNA存儲渾身都散發著未知的光芒，不久的將來人類會迎來一個全新的數據存儲新時代。

來源——今日科協

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