塑料兔子也能擁有DNA了

任志方

在著名的電子游戲《刺客信條》中，玩家可以通過祖先的DNA穿越到過去，重溫他們的記憶、他們的生活。這不是天馬行空，研究人員現(xiàn)在已經(jīng)將DNA用作存儲介質(zhì)。

2019年12月，瑞士科學(xué)家公布了一項研究成果，他們使用一種含有DNA數(shù)據(jù)的材料3D打印出一只塑料兔子，之后切下一部分塑料，解碼其中的DNA信息后，就可以再造一只一模一樣的兔子。這意味著，DNA真的能夠?qū)崿F(xiàn)無所不在的存儲，未來我們的信息可以存在DNA里，而且不受形狀所限。

也就是說，甚至你家里的鍋碗瓢盆，都能攜帶“遺傳信息”了！當(dāng)千年后的考古學(xué)家得到了一堆被注入DNA的碎瓷片，通過基因測序，他不僅能打造出一個一模一樣的碗，甚至還能從中還原整個文明的面貌。

一只擁有DNA的塑料兔子

在電影《侏羅紀(jì)公園》里，科學(xué)家通過琥珀中的蚊子提取恐龍的DNA，成功讓恐龍復(fù)活。現(xiàn)實世界中，這項來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和以色列Erlich實驗室的神奇研究，首次將“萬物DNA”材料作為信息存儲工具，注入日常物品當(dāng)中，而且通過DNA“復(fù)活”的并非有生命的物體，而是一個塑料模型，這個模型被稱為“斯坦福兔子”。這不是某個藝術(shù)工作者隨意創(chuàng)作的作品，而是一種計算機圖形學(xué)領(lǐng)域廣泛采用的3D測試模型。

實驗中，研究人員將“斯坦福兔子”O(jiān)和1的二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DNA中四種堿基的數(shù)據(jù)（A、G、C、T），進而將DNA片段封裝在二氧化硅小球內(nèi)（小球大小為160納米），這些小球則被嵌入可生物降解的熱塑性聚酯中，最后使用所得的熱塑性聚酯來進行3D兔子的打印。

這是一個DNA存儲編碼的過程，由壓縮、糾錯和轉(zhuǎn)換三部分組成。在轉(zhuǎn)換為DNA數(shù)據(jù)之前，“斯坦福兔子”的二進制立體光刻文件大小為100KB，用以合成DNA編碼的數(shù)字藍圖被壓縮到了45KB，這是為了最大化地利用DNA存儲空間，需要對信息去除冗余以達到壓縮的目的。

研究人員利用一種特殊的編碼技術(shù)，將數(shù)碼信息轉(zhuǎn)換為DNA序列信息，再將其封裝到二氧化硅小球內(nèi)，每個小球包含了數(shù)十個合成DNA分子。將DNA鏈封裝于二氧化硅小球中，是為了防止DNA降解。

解碼，則是對存儲的DNA片段進行復(fù)制擴增以備份，再對擴增得到的DNA片段進行測序，獲取堿基序列后對序列糾錯、去冗余、解碼，即可得到原始信息。如何“克隆”塑料兔子

在這個研究中，研究人員利用存儲在塑料兔子中的DNA來復(fù)制兔子數(shù)據(jù)。具體而言，研究人員從3D兔子耳朵處剪下10毫克的打印材料，這占兔子總重量（3.2克）的0.3%，然后提取出其中的DNA（至此需4小時），擴增并測序（需17小時）。盡管有5_g%的原始信息丟失以及存在測序誤差，但研究人員還是完美解讀了“斯坦福兔子”的數(shù)據(jù)。解碼過程只需要在普通筆記本電腦上運行數(shù)分鐘即可完成。

由此循環(huán)，由前一代擴增的DNA被封裝到下一代中，研究人員連續(xù)創(chuàng)造出了5代兔子，且沒有任何信息損失。即使第四代和第五代之間相隔了9個月，DNA信息一直保持高保真性和穩(wěn)定性。

為了擴展這個研究的場景，研究人員還將一段視頻編碼進樹脂玻璃中，再用該樹脂玻璃制造了一副眼鏡，只需一小塊樹脂玻璃，就能恢復(fù)其中隱藏的信息。

研究人員表示，這項研究最大的突破在于證實了萬物皆可實現(xiàn)DNA存儲的理論。美國加州大學(xué)洛杉磯分校的生物化學(xué)家Sriram Kosuri評價道，“這項研究最酷的地方，是證明了DNA真的能實現(xiàn)無處不在的存儲。甚至你家里的鍋碗瓢盆，以后都能攜帶‘遺傳信息了！當(dāng)千年后的考古學(xué)家得到了一堆被注入DNA的碎瓷片，通過基因測序，他不僅能打造出一個一模一樣的碗，甚至還能從中還原整個文明的面貌”。

海置數(shù)據(jù)需要DNA存儲技術(shù)

如今，我們所有的思想和行為，甚至日?；顒樱伎梢酝ㄟ^照片和視頻，以數(shù)據(jù)的形式進行存儲。除了當(dāng)手機里的存儲空間快用完了時，我們很少會想起自己的數(shù)據(jù)痕跡。但是研究顯示，在過去的幾年里，我們共同產(chǎn)生的數(shù)據(jù)比以往人類歷史上所有的數(shù)據(jù)都要多。

大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一個大問題。我們可能會產(chǎn)生一個幻覺，那就是存儲問題已經(jīng)解決了，但實際上，我們只是把它外部化了。數(shù)字存儲很昂貴，而且我們所擁有的存儲設(shè)備都很難經(jīng)得起時間的考驗。

1956年，IBM發(fā)布了第一款硬盤。它的存儲量相當(dāng)于一首MP3歌曲，重量則超過1噸。很少有人會有興趣購買這個東西，但這是當(dāng)時科學(xué)家能做的最好的程度了。

如今，數(shù)據(jù)存儲技術(shù)已經(jīng)取得了長足的進步，全球的數(shù)據(jù)量不斷增加，傳統(tǒng)的存儲介質(zhì)，如硬盤和磁帶，越來越難以跟上數(shù)據(jù)存儲的需要。如果今天還有人在用軟盤來備份文件，你可能會覺得他有點奇怪，而且如今的電腦已經(jīng)用不了這個過時的東西。

當(dāng)傳統(tǒng)的存儲介質(zhì)逐漸達到存儲極限時，DNA被當(dāng)作一種長期存儲方案提出來。過去的研究已經(jīng)強調(diào)了DNA的持久性和存儲海量信息的能力，現(xiàn)在研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種前所未有的方式，可利用其持久性進行存儲。

在計算機中，所有的數(shù)據(jù)都是由O、1構(gòu)成的二進制編碼，而DNA數(shù)據(jù)存儲技術(shù)則是將0、1數(shù)據(jù)通過一定的編碼方法，轉(zhuǎn)換成DNA中的A、G、C、T四種堿基，通過合成含有這些堿基序列的DNA即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息存儲。

與傳統(tǒng)的存儲介質(zhì)相比，DNA數(shù)據(jù)存儲具有存儲密度高、保存時間長、易獲取、易維護、能耗低等特點。根據(jù)哈佛大學(xué)此前的研究，裝滿一鞋盒的DNA（約1kq）就能存儲全球數(shù)據(jù)。

早在1999年，《自然》雜志上就發(fā)表了關(guān)于DNA隱寫術(shù)的文章，即把有用信息存放于一堆垃圾信息里面。作者將一段有用的DNA信息與人類基因組信息混合在一起，再通過特殊方式提取目的片段，測序、解碼后，即可獲得原始信息。

經(jīng)過多年的努力，現(xiàn)代生物科技公司正在加速推進DNA存儲的開發(fā)與商業(yè)化應(yīng)用。對于數(shù)據(jù)存儲，我們正處在一個新的早期節(jié)點。

DNA存儲將顛覆人們對數(shù)據(jù)存儲的認(rèn)知。在我們目前的存儲世界里，硬盤必須是硬盤的樣子，磁帶必須是磁帶的形狀，光盤也必須是光盤的外形，而DNA硬盤則不受形狀所限。

雖然DNA存儲技術(shù)目前還存在著諸多缺陷，但是其海量的存儲性能、精巧的存儲體積以及極長的存儲時間，對于大數(shù)據(jù)來說是一種十分誘人和極具潛力的存儲方式。相信在未來的某一天，我們會扔掉沉重的硬盤，拿起U盤大小的DNA存儲介質(zhì)，而在這里面存儲的，是整個世界的知識。

（責(zé)任編輯：白玉磊 責(zé)任校對：趙夢祺）