微軟新型分子控制器使DNA存儲(chǔ)寫入速度提高千倍

大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)即將不夠用了。5G、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得信息量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。據(jù)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心(IDC)預(yù)測(cè)，2025 年，全球數(shù)據(jù)量將達(dá)到 175ZB(澤字節(jié))，5 年年均復(fù)合增長(zhǎng)率 31.8%。若要將 175ZB 文件加載到 1TB 硬盤中，則需要轉(zhuǎn)換大約 1750 億個(gè) 1TB 硬盤。那么我們?cè)鯓硬拍芡黄平┚郑瑵M足日益增長(zhǎng)的儲(chǔ)存量需求呢?

DNA 高度緊湊，具有提供大容量信息存儲(chǔ)的能力，是一種具有巨大潛力的數(shù)字信息存儲(chǔ)介質(zhì)。通過將生物 DNA 分子進(jìn)行編碼，可在 DNA 序列上存儲(chǔ)信息。

近日，DNA 存儲(chǔ)的先驅(qū)之一 —— 微軟研究院，研究出新的分子控制器，使 DNA 存儲(chǔ)寫入速度提高1000倍。微軟團(tuán)隊(duì)與華盛頓大學(xué)分子信息實(shí)驗(yàn)室 (MISL) 合作設(shè)計(jì)了一種新方法，該研究論文發(fā)布在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。在實(shí)驗(yàn)中，該控制器成功地展示了 “將 DNA 合成點(diǎn)打包得比以前緊密三個(gè)數(shù)量級(jí)” 的能力，這意味著它比以前快一千倍。

據(jù)估計(jì)，目前合成1Mb 信息的價(jià)格可以達(dá)到3500美元。團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們表示，該方法通過增加 DNA 存儲(chǔ)寫入的吞吐量，能夠大大降低編寫合成 DNA 代碼的成本，意義重大，可能有助于在未來實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的 DNA 存儲(chǔ)。

近幾年來，DNA 存儲(chǔ)快速發(fā)展。

一方面，DNA 存儲(chǔ)為迎接即將到來的全球數(shù)據(jù)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)帶來了希望。DNA 存儲(chǔ)理論最大存儲(chǔ)密度可達(dá)到每立方英寸1艾字節(jié)，這意味著9澤字節(jié)的信息(1澤字節(jié)構(gòu)成1萬億千兆字節(jié))可以全部存儲(chǔ)在一個(gè)小冰箱的空間中;另一方面，DNA 存儲(chǔ)可以比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)具有更低的碳足跡，使其成為迄今為止更優(yōu)越且更環(huán)保的選擇。

DNA 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基本過程按順序分別為：編碼——將數(shù)字信息編碼為 DNA 序列;合成——將序列寫入實(shí)際的 DNA 分子;存儲(chǔ)——將合成的 DNA 片段保存在載體或細(xì)胞中;訪問——檢索和選擇性讀取序列信息;解碼 —— 將測(cè)定的序列信息轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信息。

目前，DNA 存儲(chǔ)技術(shù)擴(kuò)展的最大障礙是顯著低效問題?？茖W(xué)家們只能成功地合成少量的 DNA，而且速度很慢。近期，國內(nèi)外相繼在 DNA 存儲(chǔ)領(lǐng)域取得新突破。

國內(nèi)東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉宏團(tuán)隊(duì)在近日實(shí)現(xiàn)了 DNA 存儲(chǔ)技術(shù)的新突破，成功將該校校訓(xùn) “止于至善” 存入一段 DNA 序列。相關(guān)成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進(jìn)展》上。

“目前，國外 DNA 存儲(chǔ)技術(shù)路線多使用市面上成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，DNA 的合成與測(cè)序兩個(gè)環(huán)節(jié)是分開的，需要大型儀器設(shè)備，操作相對(duì)復(fù)雜，我們團(tuán)隊(duì)立足自主開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了 DNA 合成與測(cè)序環(huán)節(jié)的一體化，儀器設(shè)備也實(shí)現(xiàn)了小型化?！?劉宏在接受媒體采訪時(shí)表示。

劉宏介紹，團(tuán)隊(duì)改進(jìn)傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法，運(yùn)用電化學(xué)方法，將東南大學(xué)校訓(xùn) “止于至善”4個(gè)字 “翻譯” 為 DNA 序列，并存儲(chǔ)在電極上，隨后又成功讀取出來。

伊利諾伊州西北大學(xué)合成生物學(xué)中心的科學(xué)家們也提出了一種將信息記錄到 DNA 的新方法，該方法僅需一小時(shí)內(nèi)就能完成錄入3比特信息。該團(tuán)隊(duì)使用一種新的酶系統(tǒng)合成 DNA，將快速變化的環(huán)境信號(hào)直接記錄到 DNA 序列中，以合成可直接操作的 DNA。此外，該酶允許提前完成蛋白質(zhì)表達(dá)，從而允許連續(xù)存儲(chǔ)信息。該論文的資深作者、西北工程教授 Keith EJ Tyo 表示，這種方法還將改變研究和記錄大腦內(nèi)部神經(jīng)元的方式。它特別適合于長(zhǎng)期的檔案數(shù)據(jù)應(yīng)用，如存儲(chǔ)閉路安全錄像，該團(tuán)隊(duì)將其稱為 "只寫一次，永不讀取" 的數(shù)據(jù)，但需要在事件發(fā)生時(shí)可以訪問。

佐治亞理工學(xué)院 (GTRI) 近期也公布了新進(jìn)展，他們的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種微芯片，可以顯著提高以 DNA 形式寫入數(shù)據(jù)的速度。該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)將比當(dāng)前的 DNA 存儲(chǔ)技術(shù)提高100倍。

雖然要使 DNA 分子變成一個(gè)真正能代替硬盤、光盤的存儲(chǔ)介質(zhì)，仍面臨諸多挑戰(zhàn)，但是 DNA 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展前景被眾資本看好，微軟聯(lián)合 Illumina 等15家機(jī)構(gòu)在2021年11月成立 DNA 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)聯(lián)盟;在國內(nèi)，去年8月，DNA 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)開發(fā)企業(yè)中科碳元 (深圳) 生物科技有限公司 (C-ATOM) 完成數(shù)千萬元天使輪融資，由英諾天使基金領(lǐng)投，中科天使、常見投資、沸騰創(chuàng)投跟投。

未來，新一代合成、測(cè)序及檢索技術(shù)或?qū)?DNA 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)帶來質(zhì)的飛躍。

原文標(biāo)題：什么?微軟研究院把數(shù)據(jù)信息存進(jìn)了DNA!

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審核編輯：湯梓紅