DNA存儲(chǔ)技術(shù)如何實(shí)現(xiàn) DNA數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的主要步驟

自從二進(jìn)制成為計(jì)算機(jī)語言，人類社會(huì)的發(fā)展速度大幅加快，0與1在無數(shù)電路中改變了人類生活的方式。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)如同信息時(shí)代的一次大爆炸，讓人類可以快速處理大量的數(shù)據(jù)，無論是日常生活還是科學(xué)前沿研究都有了翻天覆地的變化。

大量的數(shù)據(jù)，帶來了變革，也帶來了考驗(yàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年全球數(shù)據(jù)總量達(dá)到84.5ZB。（1ZB=1021B）如此龐大的數(shù)據(jù)量不但對(duì)算力提出了高要求，對(duì)存力也提出了極高的要求。為了存儲(chǔ)如此大的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)也住進(jìn)了數(shù)據(jù)中心這樣的“樓房”之中。在2024年前，全球超大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心數(shù)量可能達(dá)到1000個(gè)。數(shù)據(jù)中心越建越多，但土地資源有限，修建數(shù)據(jù)中心的“摩天大樓”是一件奢侈的事情，于是提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度成為另外一種解決方案。

為了尋找更高效能的存儲(chǔ)載體，研究者將目光對(duì)準(zhǔn)到了自然界中遺傳信息的載體DNA。作為遺傳學(xué)名詞，大眾對(duì)DNA并不陌生。在遺傳過程中，DNA序列存儲(chǔ)了遺傳信息，進(jìn)而通過轉(zhuǎn)錄、翻譯的過程將遺傳信息復(fù)制，以維持生物發(fā)育和正常運(yùn)作。曾有研究者猜想，外星人（或者高等文明）把一些信息存放在了生物的基因組中，等待人類會(huì)解密。這看似科幻小說中的猜測(cè)，其實(shí)是基于一個(gè)重要事實(shí)：DNA已經(jīng)傳遞了人類千百年來演進(jìn)中重要信息，是已知的最密集和最穩(wěn)定的信息媒介之一。

DNA存儲(chǔ)技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)，又能帶來怎樣的改變？

01、DNA存儲(chǔ)靠譜嗎？

技術(shù)層面上來看，DNA存儲(chǔ)已經(jīng)被證明是可行的。

用DNA存儲(chǔ)信息的想法可以追溯到分子生物學(xué)出現(xiàn)的時(shí)期。生物化學(xué)家Frederick Sanger發(fā)明了Sanger測(cè)序法讓DNA序列可以測(cè)量，從此人類可以讀出以代號(hào)為A、T、C、G，排列組合而成的核苷酸序列。既然0與1可以成為計(jì)算機(jī)語言，那么用DNA序列傳遞特定信息同樣有可能實(shí)現(xiàn)。不過在當(dāng)時(shí)，合成一條10堿基的DNA序列需要花費(fèi)6000美元，雖然材料性能不錯(cuò)，價(jià)格過于高昂。

DNA數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的主要步驟

隨著DNA 合成和測(cè)序新技術(shù)的發(fā)展， DNA 作為數(shù)字存儲(chǔ)介質(zhì)不再是天方夜譚。2001年，一個(gè)研究組將兩句狄更斯的名言寫入到DNA序列中。用三個(gè)堿基代表一個(gè)英文字母，比如A=AAA， B=AAC。2009年，有研究組成功將兒歌“瑪麗有只小羊羔”的歌詞、樂譜和一張圖片編碼到一組DNA序列集合中。

DNA存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)主要有兩個(gè)。一是存儲(chǔ)條件簡(jiǎn)單，對(duì)于 DNA只要保持足夠低的溫度，數(shù)據(jù)就可以保存數(shù)千年，因此擁有成本幾乎降至零；DNA能夠以遠(yuǎn)超電子設(shè)備裝置的密度精準(zhǔn)地裝載海量數(shù)據(jù)。DNA存儲(chǔ)技術(shù)更適用于存儲(chǔ)重要且無需經(jīng)常訪問、調(diào)用的“冷數(shù)據(jù)”?！袄鋽?shù)據(jù)”在接近零能耗的情況下，理論上來看可保存千年以上。在未來DNA存儲(chǔ)極有可能成為龐大冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的主要存儲(chǔ)介質(zhì)。

二是DNA存儲(chǔ)密度大，占地面積小，如果以 DNA 的形式存儲(chǔ)，每部制作的電影都可以存儲(chǔ)在比方糖還小的空間中。哈佛大學(xué) George Church 及其同事于 2016 年在Nature Materials上發(fā)表的計(jì)算，簡(jiǎn)單細(xì)菌大腸桿菌的存儲(chǔ)密度約為每立方厘米1019比特。在這樣的密度下，一個(gè)邊長(zhǎng)約一米的 DNA 立方體可以很好地滿足世界當(dāng)前一年的存儲(chǔ)需求。從重量上看，每克DNA的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量能夠達(dá)到215PB，約為2,2544,3840千兆字節(jié)（GB），相當(dāng)于22萬個(gè)1TB硬盤的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。

02、DNA存儲(chǔ)已有突破

近幾年DNA存儲(chǔ)的研究已經(jīng)取得了一些突破。DNA 已經(jīng)被研究人員用來以不同的方式管理數(shù)據(jù)，這些研究人員正在努力理解海量數(shù)據(jù)。新一代測(cè)序技術(shù)的最新進(jìn)展允許輕松同時(shí)讀取數(shù)十億個(gè) DNA 序列。有了這種能力，研究人員可以使用 DNA 序列作為分子識(shí)別“標(biāo)簽”來跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

DNA 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)相關(guān)主要成果的時(shí)間線（1995～2018）

哈佛大學(xué)的研究小組采用 CRISPR DNA 編輯技術(shù)將人手的圖像記錄到大腸桿菌的基因組中，讀取的準(zhǔn)確率超過 90%。瑞士的研究人員設(shè)計(jì)出了一種“DNA-of-things”（DoT）存儲(chǔ)架構(gòu)來生產(chǎn)具有不可變內(nèi)存的材料。在 DoT 框架中，DNA 分子記錄數(shù)據(jù)，然后這些分子被封裝在納米二氧化硅納米珠中，這些二氧化硅珠融合到各種材料中，用于打印或鑄造任何形狀的物體。

?使用DoT技術(shù)打印3D兔子的過程

華盛頓大學(xué)和微軟研究院的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種全自動(dòng)系統(tǒng)，用于寫入、存儲(chǔ)和讀取 DNA 編碼的數(shù)據(jù)。

2021年12月，中國(guó)DNA存儲(chǔ)研究人員宣布開發(fā)出一種滑動(dòng)芯片——這種微流體裝置能夠保存DNA化學(xué)物質(zhì)及各種試劑。一個(gè)滑動(dòng)芯片可以是一個(gè)電極，其電荷會(huì)隨DNA序列的存在/不存在而改變。

2022年天津大學(xué)合成生物學(xué)團(tuán)隊(duì)成功將10幅精選敦煌壁畫存入DNA中，并表示這些壁畫信息在常溫下可保存千年，在9.4℃下可保存兩萬年。

03、巨頭背書的DNA存儲(chǔ)技術(shù)

縱使DNA存儲(chǔ)技術(shù)可能具有跨時(shí)代的意義，但是否能夠真的被應(yīng)用呢？對(duì)此，存儲(chǔ)行業(yè)的巨頭持積極態(tài)度。美光科技高級(jí)研究員兼副總裁 Gurtej Sandhu 是最早參與DNA存儲(chǔ)技術(shù)研究的項(xiàng)目組成員之一。他在2016年參與了哈佛大學(xué)George M. Church的研究小組。希捷已經(jīng)將Catalog的DNA存儲(chǔ)技術(shù)引入其“片上實(shí)驗(yàn)室”。希捷的DNA存儲(chǔ)與微流體研究工程已經(jīng)持續(xù)了兩年半，目前已知的專利申請(qǐng)有四項(xiàng)。

這家與希捷合作的公司是成立于2016年美國(guó)初創(chuàng)公司，Catalog曾經(jīng)通過制作20-30個(gè)堿基對(duì)的DNA片段，并將這些片段用酶縫合起來，通過不同的順序排列，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。Catalog曾用DNA技術(shù)存儲(chǔ)了小說《銀河系漫游指南》和詩(shī)歌《未走的路》。

存儲(chǔ)巨頭看好DNA存儲(chǔ)技術(shù)，但DNA存儲(chǔ)賽道上更多的是以生物技術(shù)為核心的初創(chuàng)公司。這一現(xiàn)象的核心原因是DNA存儲(chǔ)技術(shù)的底層關(guān)鍵技術(shù)其實(shí)是DNA測(cè)序技術(shù)、DNA合成技術(shù)和DNA存儲(chǔ)技術(shù)。

DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的主要公司除了與希捷合作的Catalog還有美國(guó)創(chuàng)業(yè)公司Iridia。Iridia成立于2016年，旨在開發(fā)世界上第一個(gè)具有商業(yè)吸引力的基于DNA的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案。通過結(jié)合DNA聚合物合成技術(shù)、電子納米開關(guān)和半導(dǎo)體制造技術(shù)，公司正在開發(fā)一種高度并行的格式，以使納米模塊陣列具有以極高密度存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的潛力。

DNA合成技術(shù)的公司包括法國(guó)公司DNA Script、美國(guó)公司Molecular Assemblies。

DNA Script成立于2014年，公司專注于使用專有的無模板技術(shù)制造合成DNA。通過快速、經(jīng)濟(jì)和高質(zhì)量的DNA合成技術(shù)，大大加速新療法、可持續(xù)化學(xué)品生產(chǎn)、改良作物以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等新應(yīng)用的開發(fā)。公司特有的酶促技術(shù)和核苷酸化學(xué)合成平臺(tái)，可以合成更高純度的更長(zhǎng)的DNA序列，使序列的精確性提高500倍，合成速度更快，耗時(shí)縮短50倍。

Molecular Assemblies成立于2013年，公司開發(fā)的酶促DNA合成技術(shù)，能夠?yàn)?a href="http://www.ttokpm.com/v/" target="_blank">工業(yè)合成生物學(xué)、個(gè)性化治療、精確診斷，以及信息存儲(chǔ)、納米技術(shù)等領(lǐng)域的新產(chǎn)品提供動(dòng)力。公司專有的DNA合成方法旨在提供經(jīng)濟(jì)可靠、可持續(xù)地生產(chǎn)高質(zhì)量、序列特異性的DNA。

Twist Bioscience成立于2013年，公司致力于為醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、工業(yè)化學(xué)品和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域的客戶提供高通量的DNA合成和測(cè)序服務(wù)。公司開發(fā)的基于半導(dǎo)體合成DNA制造工藝，將反應(yīng)體積減少100萬倍，同時(shí)將產(chǎn)量提高1000倍，從而在單個(gè)硅片上全面合成9600個(gè)基因。2016年，微軟與Twist Bioscience簽訂協(xié)議訂購(gòu)了約1000萬條DNA產(chǎn)品，用于測(cè)試DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。

DNA測(cè)序公司主要有英國(guó)公司Oxford Nanopore Technolog等。Oxford Nanopore Technologies成立于 2005 年，旨在開發(fā)基于納米孔科學(xué)的顛覆性電子單分子傳感系統(tǒng)。Oxford Nanopore Technologies開發(fā)了新一代傳感技術(shù)，該技術(shù)使用納米孔 - 納米級(jí)孔 - 嵌入高科技電子設(shè)備中，進(jìn)行全面的分子分析。

中國(guó)方面，2019年，華為宣布成立戰(zhàn)略研究院，表示主要研發(fā)前沿技術(shù)，其中包括DNA存儲(chǔ)。2021年華為全球分析師大會(huì)上，華為董事、戰(zhàn)略研究院院長(zhǎng)徐文偉表示將要借助DNA存儲(chǔ)來突破超大存儲(chǔ)空間模型和編碼技術(shù)，打破容量墻。

2021年05月26日，中科碳元（深圳）生物科技有限公司（C-ATOM）正式成立。今年9月中科碳元依托中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院戴俊彪研究員團(tuán)隊(duì)前期在DNA存儲(chǔ)領(lǐng)域的積累，通過自主研發(fā)并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DNA在線編解碼系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“ATOM”），使用自主引進(jìn)的合成儀及測(cè)序儀，成功完成了從編碼、合成、保存、測(cè)序、到解碼的DNA存儲(chǔ)技術(shù)路徑完整流程。

04、DNA存儲(chǔ)的挑戰(zhàn)與潛力

目前DNA存儲(chǔ)技術(shù)的落地還存在一些技術(shù)難題，中國(guó)科學(xué)院院士樊春海表示，在DNA存儲(chǔ)的合成過程中，數(shù)據(jù)輸入和讀取的效率仍不高，耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)、成本較高。中國(guó)科學(xué)院院士、天津大學(xué)副校長(zhǎng)元英進(jìn)表示，DNA信息存儲(chǔ)是一個(gè)新興的、多學(xué)科深度交叉融合的研究方向。想要將DNA存儲(chǔ)技術(shù)商用，還需要多領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì)共同攻關(guān)。

如果只有成本是問題，那么這終能被解決。DNA存儲(chǔ)是最具潛力的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式之一已經(jīng)毋庸置疑。

編輯：黃飛

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