“穿孔卡”DNA或?qū)⒁馕吨阋说拇笕萘繑?shù)據(jù)存儲

（文章來源：網(wǎng)絡(luò)整理）

如果地球上每個(gè)人都不得不依賴閃存（一種用于存儲卡和U盤的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)），那么到2040年，全球預(yù)計(jì)將產(chǎn)生的信息量將比微芯片級硅的預(yù)期供應(yīng)量高出100倍。為了防止這樣的危機(jī)，研究人員一直在探索生命本身所依賴的一種存儲材料:DNA。

從理論上講，這種物質(zhì)可以儲存大量的信息——每立方毫米DNA可以儲存1eb(10億千兆字節(jié))的信息——長達(dá)數(shù)千年。作為大多數(shù)數(shù)字檔案基礎(chǔ)的磁帶的最長壽命約為30年，但70萬年前化石的DNA仍然可以測序。然而，使DNA數(shù)據(jù)存儲成為現(xiàn)實(shí)的一個(gè)障礙是，創(chuàng)建或合成符合所需代碼的新DNA序列的過程緩慢、昂貴且容易出錯(cuò)。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的編碼理論家奧吉卡米倫科維奇(Olgica Milenkovic)表示:“在記錄成本、準(zhǔn)確性和書寫速度方面，合成DNA是一個(gè)主要瓶頸?！彼退耐绿岢隽艘环N新的解決方案：用“刻痕”模式標(biāo)記現(xiàn)有的DNA分子來編碼數(shù)據(jù)，而不是從頭開始自定義合成DNA。這種方法受到打孔卡的啟發(fā)，打孔卡是一種硬紙板，在特定的位置打孔，用來存儲許多早期計(jì)算機(jī)的信息，包括二戰(zhàn)時(shí)期的ENIAC。研究人員周三在《自然通訊》(Nature Communications)雜志上詳細(xì)介紹了他們的技術(shù)。

以前的DNA存儲方法處理四種關(guān)鍵的DNA成分，即堿基——腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鳥嘌呤類電子比特，即編碼數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的1和0。例如，每個(gè)堿基可能被賦值為00、01、10或11。但是，這種新方法并沒有將一系列的位元轉(zhuǎn)換成DNA代碼，也沒有合成相應(yīng)的堿基串，而是把現(xiàn)有的遺傳物質(zhì)當(dāng)作類似于早期打孔卡片的紙張。這項(xiàng)研究的主要作者S. Kasra Tabatabaei說，酶是“打孔的設(shè)備”。在這種情況下，這些“孔洞”是組成DNA骨架的分子之間被切斷的鍵。出現(xiàn)這個(gè)標(biāo)記表示1，若沒有則表示0。

布朗大學(xué)(Brown University)的理論化學(xué)家布倫達(dá)·魯賓斯坦(Brenda Rubenstein)說，這項(xiàng)研究最有趣的方面是它如何依賴于自然。她沒有參與這項(xiàng)研究。她說，“研究人員讓這些酶做它們最自然的事情，從而留下痕跡來儲存信息”

為了精確定位這些“孔洞”（即酶留下的痕跡），研究小組對雙鏈DNA分子進(jìn)行加熱直到它們在中間展開一點(diǎn)點(diǎn)。這個(gè)過程會形成氣泡，使堿基暴露在外。接下來，科學(xué)家用單鏈DNA分子，每個(gè)分子只有16個(gè)堿基長，讓它們附著在這些氣泡內(nèi)相應(yīng)的堿基序列上。這些單鏈分子的末端起著向?qū)У淖饔?，告訴酶去哪里。在DNA中，每個(gè)堿基連接一個(gè)糖分子和一個(gè)磷酸基，形成一種稱為核苷酸的化合物。新技術(shù)中使用的酶切斷了一個(gè)核苷酸與另一個(gè)核苷酸之間的連接，從而在糖-磷酸軌道上形成一個(gè)缺口。

因?yàn)檫@種方法不需要合成精確的DNA序列，研究人員說，它的一個(gè)重要優(yōu)勢是，他們可以像打孔卡一樣處理幾乎任何DNA分子。例如，他們用從現(xiàn)成的大腸桿菌菌株中廉價(jià)獲取的遺傳物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究人員知道這些菌株的非常精確的序列。利用450個(gè)堿基對的細(xì)菌DNA鏈，每個(gè)堿基對包含5到10個(gè)孔洞，科學(xué)家編碼了亞伯拉罕·林肯的葛底斯堡演說的272個(gè)單詞和一個(gè)14千字節(jié)的林肯紀(jì)念堂的圖像。在他們把這些信息放在DNA上之后，使用測序技術(shù)以很高的準(zhǔn)確率讀取出了這些文件。

魯賓斯坦說:“多年來，人們一直認(rèn)為分子計(jì)算就是把我們在硅上所做的事情映射到分子上，從而產(chǎn)生了很多小題大做的裝置。相反，這項(xiàng)新研究表明，酶在數(shù)百萬年的進(jìn)化過程中，其效率是令人難以置信的?！?/p>

科學(xué)家們希望他們的方法能比那些依靠合成DNA的方法更便宜、更快。然而，過去提出的DNA數(shù)據(jù)保存策略仍然有一些優(yōu)勢，比如存儲密度大約是穿孔卡技術(shù)的12到50倍。不過，目前DNA數(shù)據(jù)存儲的最大問題不是密度，而是成本。米倫科維奇說，“我們的成本真的很低，甚至可以更低。此外，她補(bǔ)充說，較老的DNA存儲系統(tǒng)必須包含冗余序列，這是防止傳統(tǒng)DNA合成易出錯(cuò)的一種保障。這一需求減少了它們實(shí)際能夠容納的數(shù)據(jù)量，縮小了它們與新技術(shù)之間的存儲密度差距。
? ? ?（責(zé)任編輯：fqj）