DNA：信息爆炸時代新救星

手機，讓我們可以一探事實究竟，暢享流媒體，瀏覽閱讀facebook和twitter資訊，聽音樂。然而這一切的數(shù)據(jù)都并沒有保存在你的手機里，它們躲在一個你不知道的地方，或許是世界另一邊。如今，像微軟，亞馬遜以及facebook這樣的大型公司通過磁帶或是其他傳統(tǒng)媒體儲存數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)信息量巨大并一直維持著穩(wěn)定的增長速度，不斷蠶食著數(shù)據(jù)儲存中心所剩無幾的空間。并且就算是性能極佳的儲存媒體數(shù)據(jù)儲存年限也至多只有短短幾十年，隨后就需要有新的接班人來代代延續(xù)未盡的使命。面對此困境，一些研究人員為我們指出了一條更優(yōu)的出路——通過DNA儲存恢復(fù)數(shù)據(jù)信息。

DNA掌握著基因信息，基因指揮著生命體體內(nèi)每一個細胞。DNA分子盤旋梯形結(jié)構(gòu)的每一側(cè)都是由四個化學(xué)成分，即核苷酸A、T、C和G組成（A、T、C、G分別是英語術(shù)語腺嘌呤，胸腺嘧啶，胞嘧啶以及鳥嘌呤的簡寫）。它們之間不同的組合代表著不同的基因密碼。

如今電腦使用二進制儲存數(shù)據(jù)。路易斯·賽澤指出，數(shù)據(jù)同樣可以通過A、T、C、G這4個化學(xué)成分表達。賽澤是一名計算機工程師，現(xiàn)就職于西雅圖華盛頓大學(xué)，目前，他的研究領(lǐng)域是計算機與數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計與運轉(zhuǎn)。研究人員一次可以完成一個核苷酸組的構(gòu)建，通過在實驗室里的重復(fù)操作，搭建出一條條人造DNA鏈。其中不同的核苷酸組合代表著不同的數(shù)字、字母以及其他電子信息。實驗室里的專門設(shè)備可以翻譯讀取這一條DNA鏈上信息。通過上述步驟，研究人員破譯出蘊藏的原始信息。

為何要如此大費周折呢？關(guān)鍵就在于DNA強大的信息儲存能力：DNA可以實現(xiàn)在極小空間內(nèi)極大數(shù)據(jù)信息量的儲存。理論上來說，一條DNA鏈大小上與一小粒方糖相當(dāng)，但信息儲存量卻與超級賣場沃爾瑪規(guī)模大小的一個數(shù)據(jù)儲存中心不相上下。此外，賽澤補充道，與傳統(tǒng)的磁帶所不同，DNA可以在未來幾千年的時間里完完整整地儲存這些數(shù)據(jù)。

早在幾年前DNA儲存數(shù)據(jù)的工程就已開啟。就在不久前，賽澤的團隊在上述方法流程中加入了叫做“隨機通道”，對原方法進行了進一步優(yōu)化?！半S機通道”為尋找特定文件提供了捷徑。在這里，每一個數(shù)據(jù)文件都有自己專屬的“地址”，其工作原理可以打個這樣的比方：郵遞員通過地址上郵編、街道名和門牌號把郵件交給你，研究人員通過每個文件的專屬“地址”迅速找到目標(biāo)文件。為此，研究人員要在每個儲存文件數(shù)據(jù)的DNA鏈上輸入它的專屬電子“地址”。

賽澤團隊中不乏微軟員工，其4月6日于佐治亞州亞特蘭大公布了在科研上的這項新進展。編程語言與操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性支持國際大會對其進行了具體詳細地展示。

PCR的引入

西雅圖團隊PCR來完成在海量DNA信息中找到特定的文件的任務(wù)。PCR是聚合酶鏈反應(yīng)的簡寫。PCR工作原理是這樣的：將DNA同一連串被稱為引物的寡鏈核苷酸一起進入試管。每一個引物與特定DNA鏈末尾中的儲存文件位置相匹配。試管在專門儀器一遍遍地重復(fù)加熱、冷卻過程。

加熱會使雙鏈DNA解旋成為單鏈。完全冷卻下來以后，引物找到并連接到科學(xué)家自己感興趣的DNA片段末尾。混合液中的單個核苷酸基之后會連接到DNA鏈的剩余部分。

其中的加熱冷卻循環(huán)作用相當(dāng)于開啟復(fù)印機：PCR可以復(fù)制DNA。循環(huán)往復(fù)冷熱可以復(fù)制出數(shù)以萬計的目標(biāo)DNA。科學(xué)家將此描述為DNA擴增。

PCR不斷地復(fù)制DNA中所需的片段，在短短時間內(nèi)，目標(biāo)DNA片段的總體數(shù)量便會遠遠超過樣品中其他遺傳物質(zhì)。

PCR已經(jīng)被科學(xué)家們廣泛地應(yīng)用于我們的生活中。例如，PCR可以復(fù)制在犯罪現(xiàn)場的DNA，法醫(yī)可以通過將此DNA與其他人如犯罪嫌疑人的DNA進行比對幫助破案。類似的例子還有環(huán)境學(xué)家運用PCR復(fù)制他們在河流里發(fā)現(xiàn)的新DNA樣本，然后比對將其歸入特定魚群。

賽澤同時指出，不停地復(fù)制DNA的特定部分也可有助于更快找到所需的數(shù)據(jù)文件。

他將這種理念比作是僅僅使用幾個特定字母來獲得一系列字母表，通過幾個字母獲得整整一碗盛滿字母表的“湯”。想要在茫茫數(shù)據(jù)里，挑出幾個單個字母好似大海撈針，十分耗時。但試假想可以不斷地一遍又一遍地復(fù)制任意你喜歡的字母。最后當(dāng)你從這滿滿一碗字母“湯”里隨意搖起一勺，你能在幾乎每一勺字母里發(fā)現(xiàn)你心儀的那個。同樣的道理，PCR可以使復(fù)制DNA完全按照你的意志來進行。而后，你大可將此DNA送入專業(yè)實驗設(shè)備解碼，讀取其中儲存的數(shù)據(jù)信息。

在基因?qū)嶒炁c研究中，PCR是一個相當(dāng)常用的工具。但將PCR引入用于尋找發(fā)現(xiàn)特定DNA電子文件卻剛剛起步：賽澤長期埋頭工作在微生物實驗室，在他日常的實驗工作中找到了靈感與突破口，這才將PCR正式引入。在研究與實驗中，他更加詳細地了解了PCR，他的團隊因而發(fā)現(xiàn)了“隨機通道”。他這樣解釋道，“你手上有兩件毫不相干的東西，但就在那一剎那間，你突然發(fā)現(xiàn)它們之間可以相互關(guān)聯(lián)起來?！?/p>

錦上添花

賽澤也表示，“在復(fù)制大批量DNA的過程中是極容易出現(xiàn)差錯的”。他的團隊對癥下藥，設(shè)計出了補救措施：當(dāng)數(shù)據(jù)復(fù)制出現(xiàn)錯誤的DNA時，重疊部分形成三條獨立的DNA鏈。當(dāng)解碼數(shù)據(jù)信息時，電腦需要分析至少這三條DNA鏈中兩條鏈來生成數(shù)據(jù)信息，這樣的話，即使一條鏈出現(xiàn)了一些差錯，電腦也可以從其他兩條鏈數(shù)據(jù)信息發(fā)現(xiàn)差錯并及時進行糾正。

同時，新的系統(tǒng)也要求所有數(shù)據(jù)同樣的高準(zhǔn)確度。在儲存大數(shù)據(jù)量的文件時，降低對一些數(shù)據(jù)材料的精確標(biāo)準(zhǔn)將更有助于整個文件的儲存。例如，人們對于文本文件精確度要求極高，但如果換成是一張貓咪的圖片，大多數(shù)人對圖片像素就不會那么斤斤計較。

在實驗室的測試過程中，優(yōu)化過的新系統(tǒng)表現(xiàn)十分出色。研究人員成功編碼了一個討論非洲國家盧旺達戰(zhàn)爭罪的視頻文件。當(dāng)他們后來再來尋找這段視頻時，他們幾乎毫不費力輕松找到。實驗團隊也同時成功地編碼并重新制成了四個圖像文件。

迪恩就職于圣地亞哥的加利福尼亞大學(xué)，現(xiàn)在是一名計算機科學(xué)工程師。他主持賽澤小組新系統(tǒng)的DNA儲存與文件補救工作。他指出，DNA數(shù)據(jù)儲存能否推廣普及以及何時能夠?qū)崿F(xiàn)普及仍存在許多不確定性因素，然而華盛頓大學(xué)的研究小組已經(jīng)顯示出了在此研究領(lǐng)域非凡的潛力?！白钭屓苏駣^的莫過于，他們已經(jīng)成功地實現(xiàn)在人工合成DNA中儲存圖片，”他繼續(xù)補充道，“同時，他們在實驗室中也將這些圖片毫無差錯地讀取出來?！?/p>

當(dāng)然，這是一張貓咪圖片。endprint