DNA存儲信息：突破極限

DNA是個生物數據庫，存儲著我們體內的海量基因代碼。科學家發現，它的這種能力其實還可以用來存儲外部信息，一克DNA即能儲存上千億個千兆字節，相當于1000億張DVD光盤的內容。

近日，哈佛大學維斯生物工程研究所的研究人員將一本大約有5.34萬個單詞的書籍編碼到不到一沙克(億萬分之一克)的DNA（脫氧核糖核酸）微芯片中，連同文字一起的還有11張圖片和一段Java程序。這是迄今為止人類使用DNA遺傳物質儲存數據量最大的一次實驗，被刊登在最新《科學》期刊上。團隊負責人喬治·丘齊(George Church)表示，“今后，拇指大小的設備或許就能存下整個互聯網的信息。”

DNA存儲的“野心”

“利用DNA來存儲數據并不是一個新的概念。事實上，自從生物學確定了DNA結構，就有研究人員嘗試將其用于存儲和運算”，北京華大基因研究中心醫學事業部主任甄二真告訴記者。

他介紹，DNA由4種堿基組成，分別為A（腺嘌呤）、 C（胞嘧啶）、G（鳥嘌呤）及 T（胸腺嘧啶），它們兩兩互補成對出現，共同構成了相互纏繞的雙鏈螺旋結構。DNA可以被視為四位運算存儲方式，存儲量比二位運算存儲大得多。

“目前通用的存儲模式都是二位運算的。為了存儲更多數據，早已有科學家嘗試過使用物理方法實現四位運算。但是技術上難以實現，只能出現‘有’、‘無’、‘中間’三種狀態，也就是三位運算，無法實際操作”，甄二真說，與之相比，DNA是天然的四位運算，有四個不同狀態，與二位運算相比存儲量大、運算速度也快得多。

處于信息爆炸的時代，很多科學家嘗試以DNA存儲數據。比如今年初，臺灣國立清華大學和德國卡爾斯魯厄技術研究所以三文魚的DNA作為基礎，制造出單次寫入多次讀取的存儲器。不過，這個DNA存儲器的有效時長只有30小時。

甄二真表示，這些DNA無法長期存儲數據是因為研究人員使用的是來自活細胞的基因組，這些細胞不僅會死亡，而且還會分裂復制，對其中存儲的數據有致命性打擊。

合成DNA：改變存儲模式

為了排除細胞會死亡、分裂、變異而使數據內容發生改變的危險，丘奇率領的團隊避免使用活細胞，而是采用人工合成的DNA片段，并將片段用噴墨打印機嵌入到芯片上。

這一次，丘奇選擇存儲在合成DNA片段上的信息是他的著作《再生：合成生物學將如何改變未來的自然和自己》。首先，他把書中的圖片、文字、程序轉化為HTML格式的文件，再將其編譯為由 0和1組成的電腦能夠讀懂的二進制數據。隨后，這些二進制數據被轉化為四種堿基，即把0轉為A或 C，把1轉成G或者T，并將其建立在DNA雙鏈螺旋結構上來。

至于讀取數據的過程其實就是測序，通過DNA測序儀將DNA序列中的編碼按順序排列，還原為二進制格式的數據，用電腦“讀”出來。

盡管聽起來很復雜，甄二真表示其中重要一步就是將二進制數據轉化為4位運算數據（A、C、G、T），做成DNA鏈結構，這可以使存儲量按級數增長。而以經化學反應得到的合成DNA取代活細胞使得這項研究成果更符合現實意義。此前以細胞內DNA來存儲信息一直無法取得技術突破，只能在短期內保證數據安全，此次轉換思路是被《科學》認可的關鍵。

突破傳統存儲的極限

與目前流行的存儲方式相比，DNA存儲的最大優勢就是單位存儲量大。北京郵電大學信息與通信工程學院副教授陳光表示，現在使用的光介質和磁介質在存儲量上都幾乎達到了極限，這就需要研究其他存儲方式，比如DNA存儲這樣的生物介質。

他告訴記者，磁介質包括磁帶、磁盤、硬盤等。硬盤的存儲量可達上百G，但由于現在硬盤數據存儲密度提升的空間已經有限，基本不太可能出現單碟1000G的硬盤，所以如果硬盤體積不變，容量難以實現大幅突破。而CD、DVD等光介質存儲對表面積的要求更大，磁介質可以分幾層存儲數據，光介質只能單層平鋪保存信息，單位存儲量更小。

DNA可以很好地解決這一存儲量的問題。甄二真表示，這不僅與四位運算的特性有關，也與DNA特有的雙鏈螺旋結構有關。這一結構可以把DNA序列壓縮得足夠小，整個立體空間都可以利用，比磁介質和光介質的平面存儲更具優勢。按照哈佛團隊給出的數據，“一克DNA即能儲存上千億個千兆字節，相當于1000億張DVD光盤的內容”。

此外，合成DNA的穩定性也很優秀。陳光介紹，磁介質是建立在電磁的基礎上，工作環境受到限制，容易出現消磁等現象；而光介質受環境影響小一些，但耐久性不理想。與這兩者相比，合成DNA不存在細胞死亡、變異等影響，在室溫下很穩定，甚至可以存放數萬年而不變。

尚難大范圍應用

對于DNA存儲的前景，此項目另一位負責人瑟里拉姆·庫蘇里(Sriram Kosuri) 表示，隨著DNA合成、測序價格的不斷下降，這或許將成為長期存儲數據的一種選擇。而現階段，它距離商業化還很遠。

甄二真表示，不僅是成本問題，DNA存儲還存在控制難點。與二進制存儲相比較，磁介質0、1之間的轉換只需加磁、消磁即可實現，而光介質可以通過刻錄機將數據以“平地”或“坑洼”的形式燒寫在光盤上，這些都比較容易實現。而將數據“寫”入DNA則困難得多，難以做到“即時寫”，因此目前只有數據歸檔等用途。

同樣的，合成DNA相當費時。甄二真介紹，目前已經有自動合成儀可以將堿基連接起來，形成DNA序列，但是一般只能連接20到30對堿基，再長就難以實現了。此次哈佛團隊采用的也是短DNA序列來編碼數據。

與寫入數據費時費力相比，利用測序儀來讀取DNA存儲數據雖然速度也不快，但是甄二真認為，未來測序速度大幅提高相對容易實現，也就是DNA存儲有可能做到“即時讀”。

在陳光看來，有些應用對寫入數據的速度要求不高，只要讀取速度可以接受就行了。此外，作為生物介質之一，DNA存儲于人體更具“親和力”，較易與人體蛋白融合。未來有一天也許可以嵌入人體內工作，這時只需存入特定數據就可以了，存儲慢的問題就很好解決了。