詳解哈佛如何用DNA遺傳物質(zhì)儲(chǔ)存信息

哈佛大學(xué)研究人員將一本大約有5.34萬(wàn)個(gè)單詞的書(shū)籍編碼進(jìn)不到億萬(wàn)分之一克的DNA微芯片，然后成功利用 DNA 測(cè)序來(lái)閱讀這本書(shū)?！敖窈?，拇指大小的設(shè)備就能存下整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的信息?！痹擁?xiàng)目的首席研究員、哈佛大學(xué)遺傳學(xué)家喬治·丘奇說(shuō)。要說(shuō)信息存儲(chǔ)，沒(méi)有一樣比得過(guò) DNA。人們很早就覬覦我們自身的基因代碼存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的潛力，但如何將信息編碼進(jìn) DNA 遺傳物質(zhì)再如何解讀出來(lái)，一直是個(gè)難題。

這是迄今為止人類使用DNA遺傳物質(zhì)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)量最大的一次實(shí)驗(yàn)。

近日，哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所的一群研究人員嘗試將一本大約有 5.34 萬(wàn)個(gè)單詞的書(shū)籍編碼到不到一沙克（億萬(wàn)分之一克）的DNA微芯片中，連同文字一起的還有11張圖片和一段Java程序。這是迄今為止人類使用DNA遺傳物 質(zhì)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)量最大的一次實(shí)驗(yàn)?！敖窈?，拇指大小的設(shè)備就能存下整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的信息?！痹擁?xiàng)目首席研究員、哈佛大學(xué)遺傳學(xué)家喬治·丘奇（George Church）說(shuō)，被編碼進(jìn) DNA 的書(shū)正是他的大作《再生：合成生物學(xué)將如何改變未來(lái)的自然和自己》。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)被刊登在《科學(xué)》期 刊上。但因編碼存儲(chǔ)和讀取過(guò)程太過(guò)昂貴，DNA 存儲(chǔ)離商業(yè)化還有一段距離?！半S著DNA合成、測(cè)序價(jià)格的不斷下降，這或許將成為長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的一種選擇?！惫鸫髮W(xué)生物學(xué)教授可蘇里（Sriram Kosuri）說(shuō)。這一實(shí)驗(yàn)，或許為解決未來(lái)社會(huì)爆炸性的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指明了方向。

從二進(jìn)制到堿基對(duì)編碼

DNA 是生物數(shù)據(jù)庫(kù)，它的主要功能就是存儲(chǔ)包含各種指令的生物信息。DNA 有 G（鳥(niǎo)嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）四種堿基，共同構(gòu)成了相互纏繞的雙鏈階梯狀的螺旋結(jié)構(gòu)。通過(guò)這四種堿基不同順序的編碼，存儲(chǔ)了生物所有的遺傳信息。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)奠基者之一馮·諾依曼曾在 1948 年提出“自動(dòng)復(fù)制機(jī)器”的設(shè)想：一個(gè)能夠自我繁殖的系統(tǒng)，不僅能夠構(gòu)建某個(gè)組成元素，結(jié)構(gòu)和自己一致的下一代，也能夠把對(duì)自身的描述傳遞給下一代，如此往 復(fù)。后來(lái)隨著生物遺傳的奧妙被發(fā)現(xiàn)，人們意識(shí)到，DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)正是馮·諾依曼描述的自動(dòng)復(fù)制機(jī)器。

另一種主流的光存儲(chǔ)也在不斷挑戰(zhàn)存儲(chǔ)極限。光盤將數(shù)字編碼的視頻和音頻儲(chǔ)存在光盤表面的凹槽中。激光讀取這些凹槽的背面，就能播放儲(chǔ)存的電影節(jié) 目。光盤包含的數(shù)據(jù)越多，凹槽就必須越小、越緊湊。與之相對(duì)，讀取激光的精度也必須越來(lái)越高。普通 DVD 使用的是紅色激光在凹槽里記錄信息，藍(lán)色激光波長(zhǎng)比紅色激光長(zhǎng)，較小的光束聚焦更準(zhǔn)確。此外，藍(lán)光光盤將軌距從 0.74 微米縮小到 0.32 微米。更小的凹槽，更小的光束以及更短的軌距結(jié)合，藍(lán)光的問(wèn)世正是順應(yīng)了大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的潮流。現(xiàn)在單層藍(lán)光光盤能夠保存 25GB 以上的信息，是 DVD 可儲(chǔ)存信息量的5倍。還有人在研發(fā)用紫外線做激光，其波長(zhǎng)比藍(lán)光更短，如果成功，一張光盤可以保存 500GB 的數(shù)據(jù)。

這些存儲(chǔ)方 式有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，磁片表面也好，光盤表面也好，都是單層的平鋪式地記錄和保存信息，哪怕磁盤每一層可以疊加，也和 DNA 封閉的雙螺旋立體結(jié)構(gòu)無(wú)法媲美，記錄的數(shù)據(jù)量相去甚遠(yuǎn)。一克 DNA 即能儲(chǔ)存上千億個(gè)千兆字節(jié)，相當(dāng)于 1000 億張 DVD 光盤的內(nèi)容。

隨著摩爾定律的升級(jí)，人們已經(jīng)逐步接近傳統(tǒng)電子制造的極限。人們?cè)缇烷_(kāi)始在自然中尋找解決問(wèn)題的靈感。早在 2007 年，就有日本科學(xué)家研究利用趨磁細(xì)菌制造出和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)原件類似的東西，代替磁盤存貯數(shù)據(jù)。今年初，又爆出德國(guó)和***的一個(gè)聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)以三文魚(yú)的 DNA 作為基礎(chǔ)，制造出單次寫(xiě)入多次讀取的存儲(chǔ)器。不過(guò)，那個(gè) DNA 存儲(chǔ)裝置只能儲(chǔ)存數(shù)據(jù)至多 30 小時(shí)，且它并沒(méi)有利用 DNA 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行編碼。

這是個(gè)數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代，無(wú)處不在的攝像頭，互聯(lián)網(wǎng)上成倍增長(zhǎng)的信息，大量手持設(shè)備的照片、視頻？？如果生物存儲(chǔ)技術(shù)足夠成熟，人們可以記錄所有想記錄的一切，而不必?fù)?dān)心家里沒(méi)有地方放硬盤。市政部門也不必每隔一段時(shí)間就清理街道攝像頭的視頻記錄，釋放存儲(chǔ)空間。

微流體和芯片實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展，讓 DNA 合成和測(cè)序變成一項(xiàng)日常工作。以前，要解碼一個(gè)人類基因得花幾年，現(xiàn)在用微流體芯片技術(shù)只要不到一天。如果用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)，這樣的速度還是可以接受的。隨著 DNA 讀寫(xiě)技術(shù)的商業(yè)化，未來(lái)的 DNA 硬盤，或許會(huì)和今天的硬盤、光碟一樣普遍。