若將數(shù)據(jù)存到DNA，全世界的信息只有1公斤重

湯波

大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上每一個(gè)動(dòng)作，都在產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。它們?nèi)缫粭l條河流，匯聚成數(shù)據(jù)的汪洋大海。如此大量的信息怎樣存儲(chǔ)？珍貴的數(shù)字記憶要如何長(zhǎng)久可靠地保存？科學(xué)家們想到了一種方法，將數(shù)據(jù)寫入活細(xì)菌的DNA中。

大數(shù)據(jù)時(shí)代，我們?cè)诰W(wǎng)絡(luò)上每一個(gè)動(dòng)作，都在產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。它們?nèi)缫粭l條河流，匯聚成數(shù)據(jù)的汪洋大海。

如此大量的信息怎樣存儲(chǔ)？珍貴的數(shù)字記憶要如何長(zhǎng)久可靠地保存？科學(xué)家們想到了一種方法，將數(shù)據(jù)寫入活細(xì)菌的DNA中！近日，美國哥倫比亞大學(xué)的研究人員運(yùn)用“基因魔剪”技術(shù)（分子診斷工具）將數(shù)據(jù)翻譯成堿基語言，成功錄入到大腸桿菌的DNA之中。

數(shù)據(jù)時(shí)代，存儲(chǔ)的革新

在地球生命系統(tǒng)中，DNA可謂無處不在。自然界將生命的遺傳信息存儲(chǔ)在DNA中，人類也可以將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)其中。我們可以把二進(jìn)制數(shù)字語言轉(zhuǎn)換成四種堿基語言，將信息存儲(chǔ)到DNA中。讀取時(shí)只要反向進(jìn)行DNA測(cè)序即可。

這主要基于以下兩點(diǎn)：首先，DNA的存儲(chǔ)密度非常大。全世界的數(shù)據(jù)信息都可以儲(chǔ)存在1公斤重、只占粉筆盒大小空間的一堆DNA中。

其次，一般物理存儲(chǔ)設(shè)備使用壽命往往不到10年，而DNA則可將遺傳信息完整保存100年以上。如果是在-18℃以下的低溫環(huán)境中，甚至可保存上萬年、數(shù)十萬年。

人工合成DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

DNA存儲(chǔ)技術(shù)的希望，也開啟了研發(fā)熱潮。之后，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的大小不斷突破上限。不過，人工合成DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，還有一些重大問題要解決。

一是成本過高，目前人工合成存儲(chǔ)1兆字節(jié)數(shù)據(jù)的DNA，需要3500美元，解碼過程還需要額外的1000美元。二是無論存儲(chǔ)還是讀取過程都需要專業(yè)設(shè)備，個(gè)人使用極不方便。三是DNA保存需要低溫環(huán)境，否則長(zhǎng)時(shí)間容易發(fā)生DNA降解，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真或丟失。

既然人工合成DNA有缺陷，那能不能借用活細(xì)菌的DNA呢？早在2017年，丘奇團(tuán)隊(duì)就開創(chuàng)性地利用“基因魔剪”技術(shù)，將編碼信息的DNA片段送入細(xì)菌體內(nèi)。該系統(tǒng)可以對(duì)任何DNA序列進(jìn)行精準(zhǔn)修改。

這一次，哥倫比亞大學(xué)的研究人員則進(jìn)一步發(fā)展了該方法。需要存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息先被轉(zhuǎn)換為DNA序列，并插入環(huán)狀質(zhì)粒（一種穩(wěn)定的DNA環(huán)），然后隨質(zhì)粒轉(zhuǎn)入大腸桿菌體內(nèi)。通過改變化學(xué)試劑的濃度，改變了細(xì)菌周圍的電壓，這時(shí)一些特定的環(huán)狀質(zhì)粒拷貝數(shù)會(huì)顯著增加。“基因魔剪”系統(tǒng)感知到這種變化，并將質(zhì)粒中的插入片段（目標(biāo)DNA序列）寫入細(xì)菌基因組，在生物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)存儲(chǔ)——這就像為存儲(chǔ)動(dòng)作設(shè)置了一個(gè)開關(guān)。經(jīng)過測(cè)試，研究人員發(fā)現(xiàn)，錄入大腸桿菌DNA中的信息在它們繁衍80代后，正確率達(dá)90%以上。

相信在不遠(yuǎn)的將來，DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備將隨處可見。那時(shí)，我們或許可以通過解碼一段DNA，來閱讀一本科幻小說，聽一段搖滾樂，觀看一部電影。