摘要 : 在人們發愁如何存儲爆炸式增長的基因數據時，生物學家卻發現，基因本身，就是最好的存儲設備。 一個拇指大小的DNA存儲設備，就能存下整個互聯網的信息。
能存下整個互聯網的DNA“硬盤”
基因測序技術的飛速發展忙壞了數據存儲公司，在他們發愁如何存儲爆炸式增長的基因數據時，生物學家卻另辟蹊徑，他們發現，基因本身，就是最好的存儲設備。
今年2月，瑞士聯邦理工學院的項目團隊對外公布了一項最新研究成果：他們成功將一段DNA片段塞進了石英玻璃材質的球形膠囊中。
看起來不是什么重大成果，此前人們早已能夠把DNA片段塞進各式各樣的材料中。但關鍵是，4周后，瑞士科學家從那段DNA中，完整取出了之前存入的83KB數據。
這就算是DNA存儲技術的歷史性突破了。它意味著，利用DNA存儲和讀取數據，不再是一個不錯的想法，而是一個可行的辦法。
不過，雖然實驗已證明了其可行性，但要真正干掉如今的硬盤和服務器，DNA存儲還有很長的路要走。
【1克=700TB】
在分析所有困難前，先來看一個基本的問題，為什么要用DNA來存儲數據?
答案不是為了好玩，也不是某些技術先鋒的創新之舉，而是我們現有的存儲工具，已經跟不上數據存儲的需求。
市場研究公司IDC和數據存儲公司EMC在2014年做了一項調研，他們發現，2013年全世界的數據總量達到了4.4ZB(1ZB=10.74億TB)，按照如今的數據增長速度，即使保守估計，2020年，數據總量也將超過44ZB。
而隨著摩爾定律的升級，人類已經逐步接近傳統電子制造技術的極限，即便摩爾定律一直生效，現有電子存儲設備的性能和容量提升速度，也無法跟上人類產出數據的速度。
在數據大爆炸災難發生前，人類需要找到不受摩爾定律限制的存儲設備。DNA存儲的設想，由此而生。
關于DNA存儲，流傳最廣的說法是2010年誕生于酒吧中。當時，歐洲生物信息研究所副所長尤安?伯尼和同事尼克?古德曼在德國漢堡市一間酒吧中發愁，用什么可以替代昂貴的存儲硬盤，以處理日益繁多的基因數據。
兩人開玩笑說，要是有存儲設備能像DNA一樣存儲遺傳基因信息多好，你看一只猛犸象的基因就能讓我們了解數萬年前的許多信息。
話音剛落，兩人立馬有了同樣的想法，為什么不用DNA存儲信息呢?它本身就是一個很好的存儲設備。于是，兩位科學家找了一張餐巾紙，在上面寫下了這個偉大的構想。
在兩人的構想中，所謂DNA存儲，就是利用DNA的4個堿基——A、T、C、G為基本符號，通過獨特的排列組合，形成一套編碼存儲和讀取數據。
這與如今的二進制電子存儲有異曲同工之妙，只不過，二進制電子存儲是以1和0為基本符號進行排列組合，形成不同的序列，進而組合成信息和數據。
而DNA有4個堿基，在編碼上也就多了許多可能，眾多的優勢也將從中顯現。
最明顯的優勢，就是容量。DNA本身就是攜帶海量遺傳信息的“數據庫”，在人類的基因序列中，1克重量的DNA就包含數十億GB的遺傳數據，而根據2012年美國科學家喬治?丘奇在1沙克(億萬分之一克)DNA中存入的數據量換算，1克DNA能存儲的數據，多達700TB，相當于1.4萬張藍光光盤，或233個3TB的硬盤。
丘奇說，以這個存儲容量，今后，一個拇指大小的DNA存儲設備，就能存下整個互聯網的信息。
【最佳存儲選擇?】
除了容量巨大，DNA存儲的優勢還包括無須依賴電源和不需要維護等，不過以此就斷言DNA是未來最佳存儲設備，還為時尚早。
2013年，經過3年努力，尤安?伯尼和尼克?古德曼完成了他們首次的DNA存儲實驗，將154首莎士比亞的詩歌、一張歐洲生物信息研究所的JPG格式圖片、一份關于DNA分子結構的PDF學術論文、馬丁?路德?金“我有一個夢想”的26秒演講片段以及一個編碼系統文檔統統存進了微量的DNA里。
但完成這一存儲過程，著實費了不少功夫。
最基本的難題是如何將這些數字化形式存在的文字、圖片和視頻，轉化成DNA堿基的編碼語言。科學家們時至今日使用的方法，都是發明一段中間代碼，讓這段代碼充當中介，實現二進制電子語言與DNA堿基語言的轉化。
比如，將莎士比亞的詩歌翻譯成中間代碼，再利用DNA合成技術，將堿基按序排列，合成一段符合詩歌代碼的DNA片段，并加上一段索引代碼，保證每一個位置的堿基與相應的詩歌字母相匹配。
讀取階段，則是利用基因測序儀和計算機，按照DNA片段的序列索引，將DNA中存儲的信息排列好，并通過中間代碼轉化成計算機能夠讀取的二進制數字語言。
理論上看這是一個接近完美的存儲和讀取方法，但實際上，除去中間代碼的編寫難度之高，DNA本身的存儲和數據保護，也是一個大麻煩。
以往眾多科學家的測試結果表明，合成存入數據的DNA并不困難，但要讀取數據時，DNA會對周圍環境作出反應，很難保持穩定，這很容易導致讀取的DNA數據經常出現錯誤，或者數據隨著細胞死亡而丟失。
瑞士聯邦理工學院科學家們的實驗之所以可以稱為突破性成功，就在于解決了DNA片段的存儲問題，將DNA片段當成“化石”保存，再通過氟化物的作用，釋放DNA，進而完整準確地讀取出所有存入的數據。
瑞士的科學家說，利用這種方法，存儲數據的DNA可以在-18℃下保存100萬年之久。
不過，即便保存方法難題得到解決，DNA存儲還需要面對所有前沿科技面臨的共同挑戰——成本。
瑞士科學家在DNA片段中存儲的83KB數據，包括一份瑞典聯邦憲章以及英文版的阿基米德著作《機械定理方法》，整個存儲和讀取過程，花費超過1000歐元，而若要存儲一整部電視劇，費用將是一個驚人的數字。
不過好消息是，基因測序和DNA合成技術的發展速度也同樣驚人，DNA存儲的成本也在隨之降低，屆時，即便不能成為最佳存儲設備，也會是最好的選擇之一。
京公網安備 11010502049343號