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科学日记--DNA储存:一克DNA相当千亿张DVD光盘  

2013-05-07 23:11:15|  分类: 未来科技 |  标签: |举报 |字号 订阅

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5月5日:英国科学家最新创建了一项以DNA为介质的数据存储新技术。研究表明,DNA分子是一种令人难以置信的密集存储介质,具有存储容量大、保存时间长、不需要经常维护、不涉及兼容问题等特点。专家表示,随着科技创新发展,“基因硬盘”有望进入寻常百姓家。

  附:哈佛大学研究人员将一本大约有5.34万个单词的书籍编码进不到亿万分之一克的DNA微芯片,然后成功利用 DNA 测序来阅读这本书。

这是迄今为止人类使用 DNA 遗传物质储存数据量最大的一次实验。

这是迄今为止人类使用DNA遗传物质储存数据量最大的一次实验。

“今后,拇指大小的设备就能存下整个互联网的信息。”该项目的首席研究员、哈佛大学遗传学家乔治·丘奇说。

  “今后,拇指大小的设备就能存下整个互联网的信息。”该项目的首席研究员、哈佛大学遗传学家乔治·丘奇说。

  要说信息存储,没有一样比得过DNA。人们很早就觊觎我们自身的基因代码存储数据的潜力,但如何将信息编码进DNA遗传物质再如何解读出来,一直是个难题。

  近日,哈佛大学维斯生物工程研究所的一群研究人员尝试将一本大约有5.34万个单词的书籍编码到不到一沙克(亿万分之一克)的DNA微芯片中, 连同文字一起的还有11张图片和一段Java程序。这是迄今为止人类使用DNA遗传物质储存数据量最大的一次实验。“今后,拇指大小的设备就能存下整个互 联网的信息。”该项目首席研究员、哈佛大学遗传学家乔治·丘奇(George Church)说,被编码进DNA的书正是他的大作《再生:合成生物学将如何改变未来的自然和自己》。

  这项实验被刊登在《科学》期刊上。但因编码存储和读取过程太过昂贵,DNA存储离商业化还有一段距离。“随着DNA合成、测序价格的不断下降, 这或许将成为长期存储数据的一种选择。”哈佛大学生物学教授可苏里(Sriram Kosuri)说。这一实验,或许为解决未来社会爆炸性的大数据存储指明了方向。

  从二进制到碱基对编码

  DNA是生物数据库,它的主要功能就是存储包含各种指令的生物信息。DNA有G(鸟嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)四种碱基,共同构成了相互缠绕的双链阶梯状的螺旋结构。通过这四种碱基不同顺序的编码,存储了生物所有的遗传信息。

  现代计算机技术奠基者之一冯·诺依曼曾在 1948 年提出“自动复制机器”的设想:一个能够自我繁殖的系统,不仅能够构建某个组成元素,结构和自己一致的下一代,也能够把对自身的描述传递给下一代,如此往 复。后来随着生物遗传的奥妙被发现,人们意识到,DNA 双螺旋结构正是冯·诺依曼描述的自动复制机器。

  DNA里的四种碱基,两两互补成对。一个最短的DNA分子也有 4000个碱基对,可能的排列方式就有44000种。碱基对排列顺序千变万化,从而能够存储大量的遗传信息。

  向活体DNA里写入数据,有诸多困难,细胞会死亡、分裂、变异,数据内容就会发生改变。

  在本文开头提到的那项实验中,科学家们没有采用活细胞的基因组,而是采用了人工合成的DNA片段。他们用很多短的DNA序列而非长DNA序列来 编码数据,这类似于硬盘写入的原理,在硬盘中,数据是被写入称为扇区的小硬盘块,这样能够降低写入和读取数据的困难和成本。科学家们将这种片段用喷墨打印 机嵌入到微阵列芯片表面。接着,他们把计划写入 DNA的书里包含的信息:图片、文字、程序转化为HTML格式的文件,并将这些文件编译为由 0和1组成的电脑能够读懂的2进制数据。然后,他们将2进制数据转为四种碱基,把0转为A或 C,把1转成G或者T,并建立DNA链来维系这些编码的顺序和位置。每一个DNA片段还包含一个数字“条码”,记录它在原始文件中的位置,每个片段被合成 多个拷贝以便有助于校正错误。编码完成后,这些芯片会在4摄氏度下保持三个月。

  测序就是读取数据的过程:启用DNA测序装置,将所有DNA片断中的编码按照标记顺序排列,再还原成 2 进制格式的数据。每个 DNA 片断的每一个拷贝被测序高达3000次以便校对。利用这种方式,他们将5.27兆数据中的错误降低到只有12个。这种尺寸微小的存储设备,存储密度远远高 于DVD、硬盘等介质,效果也毫不逊色。

  丘奇认为,和其他生物存储介质相比,DNA存储比较可靠,在室温下也是稳定的,你甚至可以将它放在任何地方,几十万年后,它还在那里。现在的问 题是,DNA 存储设备的访问速度很慢,存取和读取都很花费时间,如何覆盖和重写数据也是个问题。好消息是,随着测序技术的进展,DNA 编码和测序的成本会逐年下降,离商业化应用也就不远了。

  生物硬盘

  在人们把目光投向生物存储之前,占据存储市场主流的就是现在的存储介质,主要是磁盘、光盘。1949年,电脑的磁存储设备问世,意味着信息可以 随时存取和控制,这个设备改变了整个行业。一块铝制圆片,涂上磁性介质,因为磁有正负级,在电磁效应作用下,可以方便地存储和表达010101的二进制信 息。无论磁盘还是硬盘,基本原理几乎一样。经过60 多年的发展,磁存储行业已经可以在3.5英寸大小的驱动上存储3TB数据。

  另一种主流的光存储也在不断挑战存储极限。光盘将数字编码的视频和音频储存在光盘表面的凹槽中。激光读取这些凹槽的背面,就能播放储存的电影节 目。光盘包含的数据越多,凹槽就必须越小、越紧凑。与之相对,读取激光的精度也必须越来越高。普通DVD使用的是红色激光在凹槽里记录信息,蓝色激光波长 比红色激光长,较小的光束聚焦更准确。此外,蓝光光盘将轨距从0.74微米缩小到0.32微米。更小的凹槽,更小的光束以及更短的轨距结合,蓝光的问世正 是顺应了大数据存储的潮流。现在单层蓝光光盘能够保存 25GB 以上的信息,是 DVD 可储存信息量的5倍。还有人在研发用紫外线做激光,其波长比蓝光更短,如果成功,一张光盘可以保存500GB的数据。

  这些存储方式有一个共同的缺点,磁片表面也好,光盘表面也好,都是单层的平铺式地记录和保存信息,哪怕磁盘每一层可以叠加,也和DNA封闭的双螺旋立体结构无法媲美,记录的数据量相去甚远。一克DNA即能储存上千亿个千兆字节,相当于1000亿张DVD光盘的内容。

   随着摩尔定律的升级,人们已经逐步接近传统电子制造的极限。人们早就开始在自然中寻找解决问题的灵感。早在2007年,就有日本科学家研究利用趋磁细菌 制造出和传统计算机原件类似的东西,代替磁盘存贮数据。今年初,又爆出德国和台湾的一个联合科研团队以三文鱼的DNA作为基础,制造出单次写入多次读取的 存储器。不过,那个DNA存储装置只能储存数据至多30小时,且它并没有利用DNA的结构进行编码。

  这是个数据爆炸的时代,无处不在的摄像头,互联网上成倍增长的信息,大量手持设备的照片、视频?如果生物存储技术足够成熟,人们可以记录所有想记录的一切,而不必担心家里没有地方放硬盘。市政部门也不必每隔一段时间就清理街道摄像头的视频记录,释放存储空间。

  微流体和芯片实验室的发展,让DNA合成和测序变成一项日常工作。以前,要解码一个人类基因得花几年,现在用微流体芯片技术只要不到一天。如果 用于长期存储,这样的速度还是可以接受的。随着DNA读写技术的商业化,未来的DNA硬盘,或许会和今天的硬盘、光碟一样普遍。

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