DNA存儲,開啟數(shù)據(jù)新時代

holiso

存儲的未來是什么？

DNA存儲！這一定是很奇妙的事情，但你無法想象這會是怎樣的畫面。只能在顯微鏡下才能看到？能否將你的所有數(shù)據(jù)備份到DNA然后將其植入人體內(nèi)？全球70多億人口的檔案（包括家庭相片、自拍文件、影像資料、音樂文件和個人信息等）儲藏，只需一個不到100平方米的房間?？梢源_定的是，在未來半個世紀(jì)里，甚至更短的時間內(nèi)，DNA確實能夠儲存數(shù)量驚人的信息，比如照片、書籍、音樂，甚至是視頻！這一點也不“科幻”，事實上，在科學(xué)家完全繪制出基因組圖譜之前，在破解核苷酸的密碼過程中，少數(shù)人就已經(jīng)想到這種生命結(jié)構(gòu)單元的新用途?？瓷先?，這些雙螺旋能做的不僅僅是承載藍(lán)色眼睛、微積分天才或是三分線外遠(yuǎn)射能力的基因。那些扭曲的淘氣鬼也可以用來存儲數(shù)據(jù)。這里的數(shù)據(jù)指的是我們過去幾年間涉及到的——大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、移動數(shù)據(jù)、社交數(shù)據(jù)。

科學(xué)家?guī)啄昵熬土私獾竭@個事實，人們已經(jīng)知道怎么在DNA上保存數(shù)據(jù)了。2016年4月，著名的好萊塢影視技術(shù)公司特藝集團研發(fā)團隊發(fā)布的一則消息引起了轟動，他們宣稱自己已經(jīng)在幾段DNA上儲存了100萬份《月球旅行記》的拷貝，那是一部由電影藝術(shù)先驅(qū)、法國導(dǎo)演喬治·梅里愛于1902年拍攝的電影。特藝集團的成就并非首創(chuàng)。早在2012年和2013年，就有兩個團隊將一本300頁的書、若干圖像、一個PDF文件，甚至聲音成功地儲存在了DNA上。新奇之處在于其所編碼的信息類型。這是人類第一次成功地把視頻資料儲存到了DNA上。這也意味著現(xiàn)在已經(jīng)可以在這種分子上存儲一切數(shù)碼信息。

生物分子變身硬盤

這個消息來得正是時候！如今，人類產(chǎn)生越來越多的信息，而儲存它們變得越來越困難。在電腦和手機的時代，我們現(xiàn)在每年制造出來的數(shù)據(jù)要比人類有文字以來產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總和還要多！與我們每時每刻產(chǎn)生的上千億條短信、郵件、推文、自拍和視頻相比，把古埃及的象形文字、達·芬奇的手稿、狄德羅和達朗貝爾的《百科全書》，以及雨果的小說全集全部數(shù)字化加起來也比不上！預(yù)計從2013年到2020年，這一數(shù)據(jù)量將增長11倍，且這種趨勢并無逆轉(zhuǎn)跡象。根據(jù)數(shù)據(jù)儲存專業(yè)公司易安信的計算，如果用內(nèi)存為128GB的蘋果iPad Air來儲存這些數(shù)據(jù)，那所需的蘋果iPad Air疊起來可以在地球到月球之間堆6次。數(shù)字化信息數(shù)量的飛速增長很快就會令人應(yīng)接不暇，人類呼喚比現(xiàn)有儲存系統(tǒng)更高效的新系統(tǒng)。DNA存儲恰能滿足以上需求。作為最古老的信息儲存系統(tǒng)，數(shù)十億年來，它一直是生物遺傳信息的載體，DNA能將數(shù)量驚人的數(shù)據(jù)儲存在極小的體積里，因此也是最高效的：在體積不到一只螞蟻的百分之一的人類細(xì)胞核中，DNA包含有35億對堿基，而堿基是編碼遺傳信息最基本的材料。在硬盤上，信息以字節(jié)0或1的形式記錄，每個字節(jié)要占200納米（0.0002毫米）的空間；而在DNA上，記錄一個字節(jié)只需0.2～0.3納米。

如今，谷歌和亞馬遜為了儲存數(shù)據(jù)，需要多個面積數(shù)倍于標(biāo)準(zhǔn)足球場的數(shù)據(jù)中心的支持，而且這還很耗電。而用DNA這種新型載體，只需一個汽車后備箱就能滿足它們所有數(shù)據(jù)的儲存需求！DNA在儲存體積上的優(yōu)勢也引起了電影公司的興趣。僅就我國而言，每年要拍攝上千部電影和電視劇，這將產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)量。一首MP3格式的歌曲差不多有4MB，但是一部長達兩小時的電影，即使壓縮成MP4的格式，也要占據(jù)700MB。有了DNA儲存技術(shù)，現(xiàn)在可以成功地把自20世紀(jì)以來拍攝的所有影片都儲存在兩到三個火柴盒里！

其實，特藝集團的科學(xué)家又是如何把100萬份電影拷貝存到DNA上的呢？過程并不容易。為此他們還請來美國基因?qū)W家喬治當(dāng)顧問，因為早在2012年，他就成功地把一本300頁的書存到了DNA上面。他們首先將梅里愛的電影數(shù)碼化，轉(zhuǎn)化成電腦能識讀的二進制語言，也就是轉(zhuǎn)化成一系列0和1的編碼。然后研究人員將這些二進制編碼轉(zhuǎn)化成由4個堿基（A、C、G、T）構(gòu)成的DNA編碼。得到這串編碼后，就能制成相應(yīng)的DNA序列，并在合成器（一種能自動拼接A、C、G、T的機器）的幫助下，拷貝數(shù)千份。這樣就獲得了一些DNA片段，它們?nèi)珙^發(fā)絲一樣漂浮在裝有液體的玻璃容器里，每一份都包含著電影的一個片段。

未來道路一片光明

接著就要證實反向操作的可行性了，也就是從這些片段中讀取電影。研究人員使用了另一種名為排序器的機器，它能自動按序讀取DNA分子里A、C、G、T序列。電腦接手完成剩余工作，把這一系列編碼轉(zhuǎn)化成一連串0和1，再把二進制編碼轉(zhuǎn)成圖像。只需一天不到的時間，就能將電影精準(zhǔn)重現(xiàn)。不過，目前這項技術(shù)還在實驗階段：現(xiàn)在把電影轉(zhuǎn)化成能漂在試管里的DNA要花費一個多月的時間！但是前景一片光明。尤其是因為DNA儲存的另一張王牌就是它的持久性。只要儲藏空間保持寒冷干燥且避光，保存時效就可長達數(shù)世紀(jì)，甚至更長。人們在冰層里發(fā)現(xiàn)了幾萬年前猛犸象的DNA，還能成功將其破譯出來，就是最好的證明。

現(xiàn)有的其他載體，無論是硬盤、CD還是DVD，最多只能保存數(shù)十年，過了這個期限，首先硬件就會更新?lián)Q代，再也找不到能讀取它們的機器了！但DNA儲存就沒有此類問題：只要有人類存在，就一定會有破譯編碼的技術(shù)。不過DNA儲存還無法立即取代硬盤。讀?。ㄅ判颍┯绕涫菍懭耄ê铣桑┧璧臅r間還是太漫長了。排序最快也要幾個小時，而合成則需要花上幾周的時間。不僅如此，這兩個步驟目前耗資甚巨，合成成本可達數(shù)百甚至數(shù)千歐元。但數(shù)十年后，或許DNA儲存就會普及，要知道此類技術(shù)的花費會大幅降低。比如與2002年時相比，如今DNA測序費用僅為當(dāng)初的5萬分之一！對于沒有迫切使用需求的信息，我們就可以考慮用DNA來儲存。事實上，DNA儲存已經(jīng)引起了電影公司、博物館、檔案館，還有諸如亞馬遜、谷歌這類有長期信息儲存需求機構(gòu)的興趣。信息技術(shù)巨頭微軟公司即于2016年4月28日宣布，將購買1 000萬條DNA，用于研究數(shù)據(jù)儲存。毫無疑問DNA存儲渾身都散發(fā)著未知的光芒，不久的將來人類會迎來一個全新的數(shù)據(jù)存儲新時代。