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如今,每個人的公文包裏都會有一件小巧但不可或缺的東西,那就是U盤,這個輕巧的小東西爲我們的辦公和生活提供了非常大的便利。從最開始的幾十個MB到現在的幾個GB,U盤的容量越來越大,但是無論如何,這同最新的DNA存儲技術相比都是小巫見大巫——假如使用DNA存儲技術,在一克DNA中將可以存儲300萬張CD的內容!想象一下,那將能容納多少首歌曲!如果每天聽一張CD的話,這些內容也要8000多年才聽得完!
酒館閒聊
催生DNA存儲概念
DNA存儲技術的緣起非常有趣,它並不是產生於實驗室,而是產生於酒吧中的一次閒聊。早在三年前,歐洲生物信息學研究所副所長埃文·比爾尼和同事尼克·戈德曼在德國漢堡的一家酒吧內喝酒,無意間談起了研究所的數據存儲問題:歷年來的研究成果都被備份,存儲在信息數據庫中。但是隨着數據的增長,數據維護的工作和用在存儲數據上的資金壓力讓他們叫苦不迭。於是,兩人開始暢想有什麼好辦法既能更好地處理海量數據,又不用頻繁地維護。他們開玩笑地說:“不如使用DNA來存儲吧。”而同時,兩個人意識到這並不是笑話。DNA作爲存儲媒介有着體積小、耐用等特點,於是他們馬上將這個想法記錄下來。三年後,他們的想法終於成爲現實:研究團隊在微量的DNA中存儲了739KB的文檔,其中包括莎士比亞的十四行詩、一張照片、一篇PDF科學論文、一小段音頻資料等。
DNA存儲方法
類似二進制碼
DNA存儲,這聽上去是一個難以想象的技術,因而也引來了大衆對它的好奇。“DNA作爲生物的遺傳物質,如何應用在風馬牛不相及的存儲領域呢?這個技術很高端啊。”網友“小烏龜”說,“看電影裏面,DNA都是在一個極低溫的環境下保存,如果這種使用DNA技術的存儲器面世,那我們是不是還要隨身帶個冰箱呢?”
網友的疑惑正是所有人都關心的問題,記者爲此趕到南開大學生命科學學院,採訪了李登文副教授,請她從專業角度爲大家解釋一下,DNA是如何在存儲領域大顯身手的。
“DNA是生物遺傳信息的承載者。生活中,我們一看便能分辨這個是獅子、那個是老虎,但是真正決定獅子和老虎不同的,其實是它們的DNA,不同物種的DNA都有各自的特點。”採訪一開始,李登文先向記者介紹了DNA的性質,“其實,DNA本身就具有存儲功能,生物的遺傳信息都存儲在它上面。我們可以把它看做是一個生物的存儲器,所以,這個新的研究成果可以說是進一步利用了DNA的存儲功能,是非常有想法的。”
關於網友最爲關注的“遺傳物質DNA究竟如何成爲存儲介質”的問題,李登文說:“DNA含有一種用簡單卻無比強大的編碼寫成的遺傳指令,這些指令由腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)四種被稱作鹼基的化學物質組成。我們在科普雜誌中看到的DNA結構就像一個螺旋形的梯子,旁邊的兩根是由脫氧核糖和磷酸分子組成的長鏈骨架,而四種鹼基則兩兩組合形成鹼基對,一級一級地排列在內側。這四種鹼基就可以作爲存儲材料。”具體來說,用DNA做存儲器時,科學家可以將需要存儲的信息轉化爲計算機使用的二進制碼,再將二進制碼同四種鹼基的代碼相對應,比如說1對應A、T;0對應C、G,這樣就可以用鹼基繪製成一段DNA的片段,原先的文本信息、圖片也就被寫進DNA裏面了。當需要讀取的時候,可以使用DNA測序儀,將這些片段中的數據讀取出來,還原成二進制碼,再還原成原來的文本或圖像信息。
體積小容量大
能保存上千年
相較於現有的存儲技術,DNA存儲有哪些獨門絕技可以讓人們刮目相看呢?李登文介紹說:“如果DNA被應用於存儲領域,那麼在單位體積內,它的信息存儲量會是非常巨大的。以我們人類爲例,人的細胞一般只有十幾微米到幾十微米大小,細胞核的大小在一微米左右,而DNA只佔細胞核中很小的一部分。不過,不要因爲它體積小而輕視它,在DNA中,含有30億對鹼基對,如果作爲存儲材料,這30億對鹼基對能夠存儲的數據是非常可觀的。”作爲DNA存儲技術試驗的負責人,戈德曼也在接受採訪時表示,依據現有的研究成果,在一克DNA中可以存儲2.2PB(1PB等於1024TB),這相當於300萬張CD的存儲量。這是現有的存儲設備無論如何也不能達到的水平。
除了體積小、存儲能力強之外,DNA還有當前存儲設備所不具備的超長的保存時間。“DNA雖然會因時間的原因發生降解,但是這個降解過程是相當漫長的。如果我們給DNA提供一個低溫、密封、乾燥的環境,DNA就可以被非常完好地保存很長時間,當然,這並不意味着DNA在常溫下就不能保存。此外,用於存儲數據的DNA與我們生物體內的DNA有很大的差異——生物體內的DNA存在於生物的細胞內,這種環境是比較複雜的,細胞內的各種物質都會對DNA的保存造成影響,比如說細胞內的核酸酶就有可能使DNA分解;而用於存儲的DNA是在實驗室中人工合成的,它的存在環境沒有上述干擾,所以要優於生物細胞中的DNA,保存的難度也要低於前者。”李登文解釋說。
戈德曼在接受採訪時也表明了上述觀點,現有的常規存儲設備在信息留存的時間上有着非常嚴重的壽命問題,以磁帶爲例,磁條上的塗層會因爲時間的原因而失效,所以要想保留信息,就得在失效前將信息複製在新的磁帶或者存儲設備上,而DNA同這些存儲設備相比有着驚人的穩定性,可以輕而易舉地保存上千年。
成本太高
技術瓶頸尚有待突破
當然,DNA存儲除了上述顯著的優勢之外,也有不容忽視的缺陷。李登文提出了幾個不得不面對的問題:“首先就是讀取問題。我們現有的存儲設備使用的是二進制碼,可以輕鬆地連接電腦設備讀取信息,但是電腦是不能直接讀取DNA信息的,因此DNA的信息需要用測序儀讀取出來轉化成二進制碼後,才能夠讓電腦讀取。此外,目前DNA讀取的速度還遠遠趕不上現有的存儲設備。再有就是成本問題。實驗室人工合成DNA的成本是相當高的,這也是制約DNA存儲技術發展的主要因素。”
由此看來,DNA存儲的想法雖然很好,也能夠實現,但是要想在生活中廣泛應用,還有相當長的一段路要走。
見習記者李超然