能存下整个互联网的DNA“硬盘”【陈荣专栏-72】

【摘要】基因测序技术的飞速发展忙坏了数据存储公司，在他们发愁如何存储爆炸式增长的基因数据时，生物学家却另辟蹊径，他们发现，基因本身，就是最好的存储设备。

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文 / 陈荣，微信号：chenrong671170

基因测序技术的飞速发展忙坏了数据存储公司，在他们发愁如何存储爆炸式增长的基因数据时，生物学家却另辟蹊径，他们发现，基因本身，就是最好的存储设备。

今年2月，瑞士联邦理工学院的项目团队对外公布了一项最新研究成果：他们成功将一段DNA片段塞进了石英玻璃材质的球形胶囊中。

看起来不是什么重大成果，此前人们早已能够把DNA片段塞进各式各样的材料中。但关键是，4周后，瑞士科学家从那段DNA中，完整取出了之前存入的83KB数据。

这就算是DNA存储技术的历史性突破了。它意味着，利用DNA存储和读取数据，不再是一个不错的想法，而是一个可行的办法。

不过，虽然实验已证明了其可行性，但要真正干掉如今的硬盘和服务器，DNA存储还有很长的路要走。

1克=700TB

在分析所有困难前，先来看一个基本的问题，为什么要用DNA来存储数据？

答案不是为了好玩，也不是某些技术先锋的创新之举，而是我们现有的存储工具，已经跟不上数据存储的需求。

市场研究公司IDC和数据存储公司EMC在2014年做了一项调研，他们发现，2013年全世界的数据总量达到了4.4ZB（1ZB=10.74亿TB），按照如今的数据增长速度，即使保守估计，2020年，数据总量也将超过44ZB。

而随着摩尔定律的升级，人类已经逐步接近传统电子制造技术的极限，即便摩尔定律一直生效，现有电子存储设备的性能和容量提升速度，也无法跟上人类产出数据的速度。

在数据大爆炸灾难发生前，人类需要找到不受摩尔定律限制的存储设备。DNA存储的设想，由此而生。

关于DNA存储，流传最广的说法是2010年诞生于酒吧中。当时，欧洲生物信息研究所副所长尤安?伯尼和同事尼克?古德曼在德国汉堡市一间酒吧中发愁，用什么可以替代昂贵的存储硬盘，以处理日益繁多的基因数据。

两人开玩笑说，要是有存储设备能像DNA一样存储遗传基因信息多好，你看一只猛犸象的基因就能让我们了解数万年前的许多信息。

话音刚落，两人立马有了同样的想法，为什么不用DNA存储信息呢？它本身就是一个很好的存储设备。于是，两位科学家找了一张餐巾纸，在上面写下了这个伟大的构想。

在两人的构想中，所谓DNA存储，就是利用DNA的4个碱基——A、T、C、G为基本符号，通过独特的排列组合，形成一套编码存储和读取数据。

这与如今的二进制电子存储有异曲同工之妙，只不过，二进制电子存储是以1和0为基本符号进行排列组合，形成不同的序列，进而组合成信息和数据。

而DNA有4个碱基，在编码上也就多了许多可能，众多的优势也将从中显现。

最明显的优势，就是容量。DNA本身就是携带海量遗传信息的“数据库”，在人类的基因序列中，1克重量的DNA就包含数十亿GB的遗传数据，而根据2012年美国科学家乔治?丘奇在1沙克（亿万分之一克）DNA中存入的数据量换算，1克DNA能存储的数据，多达700TB，相当于1.4万张蓝光光盘，或233个3TB的硬盘。

丘奇说，以这个存储容量，今后，一个拇指大小的DNA存储设备，就能存下整个互联网的信息。

最佳存储选择？

除了容量巨大，DNA存储的优势还包括无须依赖电源和不需要维护等，不过以此就断言DNA是未来最佳存储设备，还为时尚早。

2013年，经过3年努力，尤安?伯尼和尼克?古德曼完成了他们首次的DNA存储实验，将154首莎士比亚的诗歌、一张欧洲生物信息研究所的JPG格式图片、一份关于DNA分子结构的PDF学术论文、马丁?路德?金“我有一个梦想”的26秒演讲片段以及一个编码系统文档统统存进了微量的DNA里。

但完成这一存储过程，着实费了不少功夫。

最基本的难题是如何将这些数字化形式存在的文字、图片和视频，转化成DNA碱基的编码语言。科学家们时至今日使用的方法，都是发明一段中间代码，让这段代码充当中介，实现二进制电子语言与DNA碱基语言的转化。

比如，将莎士比亚的诗歌翻译成中间代码，再利用DNA合成技术，将碱基按序排列，合成一段符合诗歌代码的DNA片段，并加上一段索引代码，保证每一个位置的碱基与相应的诗歌字母相匹配。

读取阶段，则是利用基因测序仪和计算机，按照DNA片段的序列索引，将DNA中存储的信息排列好，并通过中间代码转化成计算机能够读取的二进制数字语言。

理论上看这是一个接近完美的存储和读取方法，但实际上，除去中间代码的编写难度之高，DNA本身的存储和数据保护，也是一个大麻烦。

以往众多科学家的测试结果表明，合成存入数据的DNA并不困难，但要读取数据时，DNA会对周围环境作出反应，很难保持稳定，这很容易导致读取的DNA数据经常出现错误，或者数据随着细胞死亡而丢失。

瑞士联邦理工学院科学家们的实验之所以可以称为突破性成功，就在于解决了DNA片段的存储问题，将DNA片段当成“化石”保存，再通过氟化物的作用，释放DNA，进而完整准确地读取出所有存入的数据。

瑞士的科学家说，利用这种方法，存储数据的DNA可以在-18℃下保存100万年之久。

不过，即便保存方法难题得到解决，DNA存储还需要面对所有前沿科技面临的共同挑战——成本。

瑞士科学家在DNA片段中存储的83KB数据，包括一份瑞典联邦宪章以及英文版的阿基米德著作《机械定理方法》，整个存储和读取过程，花费超过1000欧元，而若要存储一整部电视剧，费用将是一个惊人的数字。

不过好消息是，基因测序和DNA合成技术的发展速度也同样惊人，DNA存储的成本也在随之降低，届时，即便不能成为最佳存储设备，也会是最好的选择之一。

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