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第四届中国药物基因组学学术大会暨_首届中国个体化用药—精准医学科学产业联盟大会

有了 DNA 存储技术,我们人体就是“云硬盘”

2017/04/10 来源:36 氪
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导读
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。
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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