DNA存储技术:可以把人体做成“硬盘”!

我们人体的所有信息都由DNA编码组成。你可曾想过，DNA能够像U盘一样存储信息？美国《科学》杂志近日发布的一项研究显示，一克DNA的储存容量相当于约20万台电脑！具体容量约为200 PB（20万兆）。这是因为DNA具有密度大、稳固耐用的特点。专家指出，当今时代信息爆炸，只要解决了成本问题，那么DNA储存技术的市场空间将无可限量。

DNA存储技术：并非首创

其实DNA储存技术早已有人在做了。2012年，哈佛大学研究人员用DNA储存了一本五万字的图书。欧洲生物信息研究所（European Bioinformatics Institute ）也在DNA储存了莎士比亚的十四行诗以及马丁·路德·金的演讲《我有一个梦想》的录音带。

突破性进展：存储效率大幅提升

尽管不是首创，但是，这项DNA存储技术目前迎来了重大突破。研究员Erlich是该研究报告的作者之一，他表示：这是因为运用了一种编码技术，能让DNA存储效率提升60%，还能有效减小DNA存储过程中的出错率。他在美国哥伦比亚大学担任计算机科学系教授，同时也是纽约基因组中心（New York Genome Center）的核心成员。

把数据输入DNA只需要不到一秒钟。DNA说白了只不过是四种核苷酸（nucleotides）排列组合的结果。我们只需要把这些核苷酸和数据一一对应。

研究员Erlich说，一旦掌握了编码方法，或者找到了符合编排或数据输入要求的DNA，那接下来的工作就很轻松了。这是因为，可以由企业来负责DNA的实际制造过程。

独特魅力

这么做，是为了激发人们的想象力吗？没错！就是想让人们感受到科学有趣的一面！

DNA具有密度大、稳定性高的优势，因此DNA储存技术仍然比新兴的同类技术更让科学家着迷。研究员Kosuri说：“DNA储存技术所涉及的难度，相当于把单个原子放在一个物体表面。”他指的是IBM公司，该公司曾在1989成功用35个氙原子拼出了“IBM”的字样。

他说：“排列原子也不是不可能的事，但必须要运用极高的成像技术，在接近于绝对零度的真空状态下才能完成。这就涉及到核心技术了。相比之下，我们的DNA技术要比它更实用，虽然在存储方面肯定没有软盘或U盘那么实用。”

DNA还可以储存3D影像。虽然全息存储（holography memory）和赛道储存（racetrack memory）技术也可以做到，但是研究员Kosuri说，DNA技术能储存的密度比它们要高得多。

克服技术难点

但是，DNA的合成过程是非常艰辛的。研究员Kosuri表示：“难就难在，DNA合成过程中，约有5%的时间，会损失掉随机合成的一个DNA。而且，不仅合成困难，就连读取DNA也是一个问题。如果有一种编码技术能够避免这种损失，那么DNA存储技术就会变得简单得多，也利索得多。”

美国《科学》杂志发布的这项研究，的确实现了这种编码技术。研究员Kosuri表示，这项技术可以让DNA合成过程中出现的失误容易让人接受。这要归功于一种特殊的编码技术，而用这项技术传送数字信息，通常能够适应连接中断的情况发生，比如在智能手机上播放Youtube视频。Erlich表示，这就意味着，这种编码技术能够处理那些比研究中使用的DNA质量低得多的DNA。

研究员Kosuri没有参与该项研究，但他是上述2012年哈佛大学研究报告的第一作者，如今是加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）的一名生物化学教授。

苏黎世联邦理工学院化学工程师Grass也参与了这项研究，他表示，研究团队成功地在DNA中存储并且恢复了一个操作系统，是个“优雅的成就”。他还说：“我每天都在‘使用’DNA，所以我明白这项工程必须要万无一失。”Erlich表示，他们是故意把那个操作系统放进DNA的。”如果不把文件完美地恢复，那么就可能会损毁某些内容。但我们就是要证明我们不怕把这种可能会损毁的内容放进DNA。”

Kosuri也同意这种方法十分高效：“我认为他们采用了正确的实验测试算法。他们选对了算法，而且看起来很奏效。”

成本巨大

在化学工程师Grass看来，合成DNA的成本比编排DNA的成本还要大。他说：“虽然编排DNA的成本太高，无法实际应用，不过现在有了纳米微孔(nanopore)插入计算机进行DNA编排的技术，所以它的成本越来越小了。但是，合成DNA的成本仍然十分之高。”

研究员Kosuri也表示：“DNA储存技术规模化应用的唯一阻碍就是，它的成本实在是太高了。关于编码、编码的工作方式以及这种编码是否可靠等种种问题，我们的研究报告都一一解答了。但是，唯独成本问题，是我们目前解决不了的。”

Grass认为，要想让DNA能够储存信息长达数百年之久，就必须要采用另外一些手段把DNA固定住。他解释道，基因物质可以在动物骨头和动植物化石中固定保存，但是自由DNA却不一样，具有不稳定性。如果把它放在实验室，一年以后里面的信息就会开始损毁了。

前景：依然明朗

研究员Kosuri已经不再从事DNA储存技术研究，但是他本人对这项技术的发展还是持乐观态度。他说：“上百万倍的成本听起来很吓人，但是在过去的15年，我们已经把成本缩小为原来的上百万分之一了。现在，不仅仅是编排DNA，就连合成DNA的成本也已经有所下降。”

研究员Erlich憧憬在未来，有人可以发明一种“专门用于DNA存储的工序，方便我们快速合成劣质DNA”，从而减少成本。他说：“我们可以质量参差不齐的DNA先提取出来，然后再根据编码方式来逐步对其进行纠正。这是我们未来的研究方向”

目前的研究是一个良好的开端。研究员已经在DNA存储了许多内容，它们能灵敏地减少存储错误，其中包括：一个操作系统、一个电脑病毒、一张价值50美元的亚马逊礼品购物卡、1895年于法国上映的世界上第一部电影《火车到站》（Arrival of a train at La Ciotat）、航天飞行器“先驱者”（Pionner）的一块载有人类讯息的镀金铝板以及美国数学家、信息论的创始人克劳德·艾尔伍德·香农（Claude Elwood Shannon）于1948年发表的一篇研究报告。

研究员Erlich说：“有人问我，‘你怎么能够把视频存进DNA呢？’这也是我要向我6岁小儿子解释的问题。”

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