DNA存儲技術新突破，萬物皆硬盤的時代來臨

（文章來源：前瞻網(wǎng)）

人類正在以驚人的速度創(chuàng)建數(shù)字數(shù)據(jù)——專家預測，到2020年，我們每秒鐘將為地球上的每個人平均產(chǎn)生1.7兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。

如今，大多數(shù)數(shù)據(jù)通常以1和0的形式存儲在通常基于磁或光的系統(tǒng)（例如硬盤或DVD）上。考慮到這些系統(tǒng)的最大使用壽命約為一個世紀，而且與人類產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)相比，每個設備可以存儲的數(shù)據(jù)量很小，因此這遠非理想狀態(tài)。在這一背景下，DNA被提出用作有效、靈活實現(xiàn)長期存儲的解決方案。近年來，DNA數(shù)據(jù)存儲研究已經(jīng)成為國內(nèi)外大公司（如微軟）關注的一大方向。

過去的研究表明，可以將二進制代碼的1和0轉(zhuǎn)換為DNA的As，Ts，Cs和Gs，然后創(chuàng)建包含該代碼的人工DNA分子。每個生物都包含提供其存在代碼的DNA，現(xiàn)在無生命的物體也可以具有該代碼，從而實現(xiàn)“復制克隆”。最近，一個歐洲科學家團隊宣布已經(jīng)成功找到了一種將DNA基本上存儲在任何物體中的方法——通過編碼說明在兔子本身中創(chuàng)建3D打印塑料兔子的方法，證明了這種能力。

周一發(fā)表在《自然·生物技術》雜志（Nature Biotechnology）上的這項研究中，研究人員首先編碼了該兔子在DNA中的印刷說明。然后，他們將DNA包裹在玻璃納米珠中，并將珠添加到用于3D打印兔子的塑料中。研究人員羅伯特·格拉斯（Robert Grass）稱：“像真正的兔子一樣，我們的兔子也有自己的DNA藍圖。”

科學家以一種超前瞻的方式展示了該技術。他們將一種名為“斯坦福兔子”（Stanford Bunny）的計算機圖形測試模型的藍圖編碼為DNA兼容格式，這是3D計算機圖形學中最常用的測試模型之一，也是首只DNA存儲數(shù)據(jù)的兔子。該兔子總共包含3.7億個描述其輪廓的數(shù)據(jù)文件副本，相信做3D打印的人都見識過這個模型了。

在打印了第一個兔子之后，研究人員用物理方法將兔子的耳朵剪掉了，并提取了含有DNA的珠子?！爸恍枰苌俚臄?shù)量，” Erlich說，“DNA稀疏，但無處不在。”然后，他們使用DNA測序儀對指令進行解碼，并將其轉(zhuǎn)換回二進制.stl文件，從而產(chǎn)生用于打印兔子的數(shù)字指令。這只兔子三維結構的數(shù)據(jù)以雙鏈DNA結構的形式內(nèi)置在打印材料中。這樣他們就可以創(chuàng)建另一個帶有含DNA納米珠的小兔子，然后再創(chuàng)建另一個……直到他們制造出五代相同的兔子。

總體而言，研究人員產(chǎn)生了五代兔子，每次都剪下前一代的片段，并對DNA進行解碼以獲取打印下一個克隆的說明。在這一過程中，沒有信息丟失，封裝了從前一代擴增到下一代的DNA，即使在相隔9個月的第四代和第五代之間，DNA藍圖也保持穩(wěn)定。

研究團隊將這一解碼程序稱為“DNA噴泉”（DNA Fountain），這使得他們可以在丟失多達80％DNA數(shù)據(jù)的情況下，仍然可以借助檢索.stl文件恢復物體原貌。該程序的算法會根據(jù)可用信息填充空白，例如解決數(shù)獨難題。

通過編碼和解碼，這只兔子模型實現(xiàn)了其自身數(shù)據(jù)的DNA存儲和傳遞。推而廣之，世界萬物皆可實現(xiàn) DNA 存儲?！巴ㄟ^這種方法，我們可以將3D打印指令集成到一個對象中，這樣幾十年甚至幾個世紀之后，就有可能直接從對象本身獲取這些指令。”這意味著從現(xiàn)在開始的一千年，一個人就可以只用一塊兔子來解碼其中存儲的DNA，并確切了解小飾品的外觀，甚至通過3D打印“克隆”出來。

DNA實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲的優(yōu)勢是很明顯的，這讓它成為了這一研究領域的寵兒：幾乎任何種類的數(shù)字信息都可以存儲在DNA中，而且它不像硬盤、二維碼這些方案一樣需要固定的形狀和格式。一克DNA可以存儲十億兆兆字節(jié)約215PB的數(shù)據(jù)，并可以保存數(shù)千年。按照高清電影每部10GB算，1克DNA能夠存儲 2.2 億部電影！

但另一方面我們應當注意到，成本高、時間效率低是DNA數(shù)據(jù)存儲應用普及的“攔路虎”：Yaniv Erlich制作那只兔子的成本大約就要14000元，而且從編碼到解碼需要花費幾十個小時。而且，DNA是一個脆弱的分子，高溫、強烈的pH波動和紫外線都會使其變質(zhì)，從而降低其編碼信息的質(zhì)量。

保持其化學結構是實現(xiàn)任何DNA數(shù)據(jù)存儲夢想的關鍵。研究人員率先提出了一種在微小的保護性玻璃殼內(nèi)捕獲DNA分子的方法。在2013年，研究人員Yaniv Erlich想出了如何制造帶正電荷的二氧化硅顆粒，使其附著在帶負電荷的DNA上的方法。它們會形成一層薄膜，可以保護分子免受多種威脅。幸運的是，他們利用這種技術設計了一種具有自身DNA記憶的材料生產(chǎn)工藝，就像人類自己體內(nèi)的細胞一樣。

不過最終，研究人員們相信自己的“萬物DNA”（DNA-of-things，DoT）存儲形式可用于將數(shù)據(jù)嵌入無數(shù)個物理對象中——與現(xiàn)在的硬盤驅(qū)動器和磁盤相比，其保存時間更長。研究人們指出，“萬物DNA”的概念能夠?qū)⒚孛苄畔㈦[藏在物體中，甚至隱藏在其他類型的數(shù)字文件中，甚至可以成為邁向自我復制機器的重要一步。
? ? ? （責任編輯：fqj）