有了 DNA 存儲(chǔ)技術(shù)，我們?nèi)梭w就是“云硬盤”

我們?nèi)梭w的所有信息都由 DNA 編碼組成。你可曾想過，DNA 能夠像 U 盤一樣存儲(chǔ)信息？美國《科學(xué)》雜志近日發(fā)布的一項(xiàng)研究顯示，一克 DNA 的儲(chǔ)存容量相當(dāng)于約 20 萬臺(tái)電腦！具體容量約為 200 PB（20 萬兆）。這是因?yàn)?DNA 具有密度大、穩(wěn)固耐用的特點(diǎn)。專家指出，當(dāng)今時(shí)代信息爆炸，只要解決了成本問題，那么 DNA 儲(chǔ)存技術(shù)的市場(chǎng)空間將無可限量。
DNA 存儲(chǔ)技術(shù)：并非首創(chuàng)

其實(shí) DNA 儲(chǔ)存技術(shù)早已有人在做了。2012 年，哈佛大學(xué)研究人員用 DNA 儲(chǔ)存了一本五萬字的圖書。歐洲生物信息研究所（European Bioinformatics Institute ）也在 DNA 儲(chǔ)存了莎士比亞的十四行詩以及馬丁?路德?金的演講《我有一個(gè)夢(mèng)想》的錄音帶。
突破性進(jìn)展：存儲(chǔ)效率大幅提升

盡管不是首創(chuàng)，但是，這項(xiàng) DNA 存儲(chǔ)技術(shù)目前迎來了重大突破。研究員 Erlich 是該研究報(bào)告的作者之一，他表示：這是因?yàn)檫\(yùn)用了一種編碼技術(shù)，能讓 DNA 存儲(chǔ)效率提升 60%，還能有效減小 DNA 存儲(chǔ)過程中的出錯(cuò)率。他在美國哥倫比亞大學(xué)擔(dān)任計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授，同時(shí)也是紐約基因組中心（New York Genome Center）的核心成員。

把數(shù)據(jù)輸入 DNA 只需要不到一秒鐘。DNA 說白了只不過是四種核苷酸（nucleotides）排列組合的結(jié)果。我們只需要把這些核苷酸和數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)。”研究員 Erlich 說，一旦掌握了編碼方法，或者找到了符合編排或數(shù)據(jù)輸入要求的 DNA，那接下來的工作就很輕松了。這是因?yàn)?，可以由企業(yè)來負(fù)責(zé) DNA 的實(shí)際制造過程。
獨(dú)特魅力“這么做，是為了激發(fā)人們的想象力嗎？沒錯(cuò)！就是想讓人們感受到科學(xué)有趣的一面！”DNA 具有密度大、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢(shì)，因此 DNA 儲(chǔ)存技術(shù)仍然比新興的同類技術(shù)更讓科學(xué)家著迷。研究員 Kosuri 說：“DNA 儲(chǔ)存技術(shù)所涉及的難度，相當(dāng)于把單個(gè)原子放在一個(gè)物體表面?！?他指的是 IBM 公司，該公司曾在 1989 成功用 35 個(gè)氙原子拼出了“IBM”的字樣。
他說：“排列原子也不是不可能的事，但必須要運(yùn)用極高的成像技術(shù)，在接近于零度的真空狀態(tài)下才能完成。這就涉及到核心技術(shù)了。相比之下，我們的 DNA 技術(shù)要比它更實(shí)用，雖然在存儲(chǔ)方面肯定沒有軟盤或 U 盤那么實(shí)用。”
DNA 還可以儲(chǔ)存 3D 影像。雖然全息存儲(chǔ)（holography memory）和賽道儲(chǔ)存（racetrack memory ）技術(shù)也可以做到，但是研究員 Kosuri 說，DNA 技術(shù)能儲(chǔ)存的密度比它們要高得多。
克服技術(shù)難點(diǎn)
但是，DNA 的合成過程是非常艱辛的。研究員 Kosuri 表示：“難就難在，DNA 合成過程中，約有 5% 的時(shí)間，會(huì)損失掉隨機(jī)合成的一個(gè) DNA。而且，不僅合成困難，就連讀取 DNA 也是一個(gè)問題。如果有一種編碼技術(shù)能夠避免這種損失，那么 DNA 存儲(chǔ)技術(shù)就會(huì)變得簡(jiǎn)單得多，也利索得多?！?
美國《科學(xué)》雜志發(fā)布的這項(xiàng)研究，的確實(shí)現(xiàn)了這種編碼技術(shù)。研究員 Kosuri 表示，這項(xiàng)技術(shù)可以讓 DNA 合成過程中出現(xiàn)的失誤容易讓人接受。這要?dú)w功于一種特殊的編碼技術(shù)，而用這項(xiàng)技術(shù)傳送數(shù)字信息，通常能夠適應(yīng)連接中斷的情況發(fā)生，比如在智能手機(jī)上播放 Youtube 視頻。Erlich 表示，這就意味著，這種編碼技術(shù)能夠處理那些比研究中使用的 DNA 質(zhì)量低得多的 DNA。
研究員 Kosuri 沒有參與該項(xiàng)研究，但他是上述 2012 年哈佛大學(xué)研究報(bào)告的作者，如今是加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的一名生物化學(xué)教授。
蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院化學(xué)工程師 Grass 也參與了這項(xiàng)研究，他表示，研究團(tuán)隊(duì)成功地在 DNA 中存儲(chǔ)并且恢復(fù)了一個(gè)操作系統(tǒng)，是個(gè)“優(yōu)雅的成就”。他還說：“我每天都在‘使用’DNA，所以我明白這項(xiàng)工程必須要萬無一失?！?Erlich 表示，他們是故意把那個(gè)操作系統(tǒng)放進(jìn) DNA 的?！比绻话盐募昝赖鼗謴?fù)，那么就可能會(huì)損毀某些內(nèi)容。但我們就是要證明我們不怕把這種可能會(huì)損毀的內(nèi)容放進(jìn) DNA。”
Kosuri 也同意這種方法十分高效：“我認(rèn)為他們采用了正確的實(shí)驗(yàn)測(cè)試算法。他們選對(duì)了算法，而且看起來很奏效?！?
成本巨大

在化學(xué)工程師 Grass 看來，合成 DNA 的成本比編排 DNA 的成本還要大。他說：“雖然編排 DNA 的成本太高，無法實(shí)際應(yīng)用，不過現(xiàn)在有了納米微孔 (nanopore) 插入計(jì)算機(jī)進(jìn)行 DNA 編排的技術(shù)，所以它的成本越來越小了。但是，合成 DNA 的成本仍然十分之高?！?/p>

研究員 Kosuri 也表示：“DNA 儲(chǔ)存技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的阻礙就是，它的成本實(shí)在是太高了。關(guān)于編碼、編碼的工作方式以及這種編碼是否可靠等種種問題，我們的研究報(bào)告都一一解答了。但是，唯獨(dú)成本問題，是我們目前解決不了的。”
Grass 認(rèn)為，要想讓 DNA 能夠儲(chǔ)存信息長達(dá)數(shù)百年之久，就必須要采用另外一些手段把 DNA 固定住。他解釋道，基因物質(zhì)可以在動(dòng)物骨頭和動(dòng)植物化石中固定保存，但是自由 DNA 卻不一樣，具有不穩(wěn)定性。如果把它放在實(shí)驗(yàn)室，一年以后里面的信息就會(huì)開始損毀了。
前景：依然明朗
研究員 Kosuri 已經(jīng)不再從事 DNA 儲(chǔ)存技術(shù)研究，但是他本人對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展還是持樂觀態(tài)度。他說：“上百萬倍的成本聽起來很嚇人，但是在過去的 15 年，我們已經(jīng)把成本縮小為原來的上百萬分之一了?，F(xiàn)在，不僅僅是編排 DNA，就連合成 DNA 的成本也已經(jīng)有所下降?！?
研究員 Erlich 憧憬在未來，有人可以發(fā)明一種“專門用于 DNA 存儲(chǔ)的工序，方便我們快速合成劣質(zhì) DNA”，從而減少成本。他說：“我們可以質(zhì)量參差不齊的 DNA 先提取出來，然后再根據(jù)編碼方式來逐步對(duì)其進(jìn)行糾正。這是我們未來的研究方向”
目前的研究是一個(gè)良好的開端。研究員已經(jīng)在 DNA 存儲(chǔ)了許多內(nèi)容，它們能靈敏地減少存儲(chǔ)錯(cuò)誤，其中包括：一個(gè)操作系統(tǒng)、一個(gè)電腦病毒、一張價(jià)值 50 美元的亞馬遜禮品購物卡、1895 年于法國上映的世界上部電影《火車到站》（Arrival of a train at La Ciotat）、航天飛行器“先驅(qū)者”（Pionner）的一塊載有人類訊息的鍍金鋁板以及美國數(shù)學(xué)家、信息論的創(chuàng)始人克勞德?艾爾伍德?香農(nóng)（Claude Elwood Shannon）于 1948 年發(fā)表的一篇研究報(bào)告。
研究員 Erlich 說：“有人問我，‘你怎么能夠把視頻存進(jìn) DNA 呢？’ 這也是我要向我 6 歲小兒子解釋的問題?！?/p>