硬盘过时是迟早的事 但用DNA来存储是不是太科幻了?

2017年07月17日 16:19 极客公园

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  1878 年6月19日,英国著名摄影师埃德沃德·迈布里奇(Eadweard Muybridge)把 12 台双镜头照相机列成一排,拍摄一名骑手骑马快速奔跑的场景。最初的目的是想解决困扰了画家和艺术家几个世纪的难题——马在奔跑时四条腿是否可以同时离地。

图片来源:Timetoast图片来源:Timetoast

  尽管画面不是非常清晰,但是从其中一幅作品上还是可以看出,马在全速奔跑的某个瞬间,四蹄是全部腾空的。后来他把这些照片放到一个在光源前面旋转的玻璃盘上,合成了一套原始的动画。

  一个多世纪后,这段古老的动画和前沿科技进行了一次合作——哈佛大学医学院研究人员成功将这幅5帧的动画存入了活细胞的DNA中。这个首次‘享此殊荣’的电影片段能随时取出,还能随着细胞增殖而被无限复制。

  用大肠杆菌的DNA存电影

  这一研究于7月12号发表在英国《自然》杂志上,引起了一阵惊呼。科学家们认为,这是人类在探索基因能否作为存储设备上的一大进步。

  哈佛大学两位遗传学家 George Church、Seth Shipman 以及他们的同事,给那部黑白电影中的每个像素指定了一个DNA编码。细胞中的DNA只4种组成部分——腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶,这4种分子以无数种排列方式组成了数量庞大的DNA链。

  随后,科学家们得到了一段储存着完整电影的DNA序列。最后他们用一种叫做 ‘CRISPR’的基因编辑技术将这段DNA序列导入了大肠杆菌的基因组中。

  尽管体内有一段‘奇怪的DNA’,大肠杆菌还是生存了下来并繁殖后代。科学家发现,储存在基因组中的电影在每一代大肠杆菌中都完整无缺。

  明尼苏达大学(University of Minnesota)的数学教授兼数字技术专家Andrew Odlyzko称这项新研究‘非常了不起’。

  “想象一下,我们可以把秘密交给位于我们肠道或者皮肤上的细菌,这应该是最安全的保密方式了”他说道。

  让细菌‘监控’神经元

  此前,科学家已经成功将莎士比亚的十四行诗存入了DNA中。2012 年,Church将自己的书《Regenesis》的电子数据编辑成DNA形式导入了细菌体内,并通过细菌繁殖得到了 900 亿份复制品。

  “这应该是出版史上的最高纪录了”Church在采访中说道。

哈佛大学遗传学家 George Church,图片来源:Harvard University哈佛大学遗传学家 George Church,图片来源:Harvard University

  在这些研究的基础上,Church和其他科学家开始酝酿一个更大胆的想法——能否将改造过的细菌植入人体细胞,记录下细胞的一举一动。换句话说,就是像拍电影一样录下每个细胞的生活。

  当人生病时,医生可以将这些细菌提取出来,观察存储在DNA中的录像。Church说,这就像飞机失事后人们可以通过黑匣子知道当时发生的情况一样。

  大脑包含约860亿个神经元,然而要想知道这些神经细胞的日常活动却是一件非常困难的事。

  “目前,我们可以用电极来观察神经元的活动,但是一个电极只能监控一个神经细胞。人的脑子装的下860亿个神经元,可装不下860个电极”Church 说道。不过,经过改造的细菌或许是理想的‘侦察兵’。

  科学家的想法是,通过基因工程将细菌改造成‘记录装置’,然后让这些细菌随着血液到达大脑,记录大脑神经元的活动。随后科学家可将这些细菌提取出来,通过其DNA就能知道神经元在这段时间的活动状态。

  Church和他的同事已经在过去的研究中展示了细菌能记录细胞中被标记的DNA。

  存储能力甩硬盘几条街的DNA

  半个世纪前,著名物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)就提出了用 DNA 来存储信息这一超前想法。很久之后分子生物学革命才兴起,几十年后才有科学家成功地做到了给 DNA 测序。

  “基因不仅仅是文字信息,它也能做一些自己的事”费曼在 1959 年的一次演讲中说道。

  “想象一下,我们也能做出一件非常小的东西,让它做我们想做的事”他激动地说道。

  “费曼博士的想法意义深远——它给我们提供了一个方向”南加州大学的数学家 Leonard Adleman 说道。他还是‘RSA’——使用最广泛的一种公钥加密算法——的创建者之一。

  1994 年,Adleman 宣布他已经成功将数据存入了 DNA 中,并把 DNA 当作电脑解决了一个数学问题。他坚信,DNA 的存储能力是同样大小光盘的一万亿倍还不止。

  数据存储是一个越来越让人头疼的问题。在这个知识爆炸的年代,每天产生的数据数量惊人,因而储存数据的技术一不小心就过时了,比如被淘汰掉的软盘。

  但 DNA 永远都不会过时。“数十亿年来,生物都在用 DNA 存储信息,而且信息都保存完整”Adleman 说道。他注意到,现代的细菌仍然能从几百万年前的昆虫琥珀中读取到基因信息。这是因为 DNA 很容易保存,只需放在冷、暗、干燥处,没有恒温恒湿的苛刻要求。它还非常稳定,存放上百万年都没问题。

  除此之外,DNA 合成测序,使用的设备和方法都是生物学研究的常规工具。这使得 DNA 的存储有效地避开了因设备技术更新换代而起的许多麻烦。所以 DNA 是数码信息长期存储的理想材料,而且存储的时间越长,越能显出优越性。

  DNA真正取代硬盘还要多久?

  DNA作为存储介质,也有显著的弱点。首先是成本太高。欧洲生物信息研究所(EBI)的高德曼团队的实验费用高得惊人:每一兆字节的存储费用是12400 美元,外加测序解读220 美元。这是常规磁带存写费用的一百多万倍。

  第二,信息读写非常耗时。数码信息编入DNA目前只能由专门做DNA合成设备来做;而从DNA中读取信息,重组复原为数码文件也很费时。高德曼团队用了整整两个星期,才完成五个文件739千字节的复原。

  第三,DNA介质不能重复使用,写录完毕,一般来说不能修改、不能再用。可是,我们已经习惯了常规存储,如硬盘和U盘的便利。几十块钱的U盘,插入电脑,就能周而复始地存取文档。

  这些‘简单’的基本功能,DNA介质却难以胜任。

硬盘、U 盘、细菌 DNA 在读写速度、数据保留时间、耗电量、数据密度上的对比,图片来源:Nature硬盘、U 盘、细菌 DNA 在读写速度、数据保留时间、耗电量、数据密度上的对比,图片来源:Nature 

  “人们的本能反应是,DNA分子那么渺小,怎么能储存海量信息呢?”Birney博士说到。

  “尽管这些想法很超前,但我们起码知道,这些生物技术诞生的时间肯定前人预测的要早”Church说到。

  他举出了人类基因组测序的例子。此前,一些比较乐观的科学家预测这将花费至少60年的时间,每组基因测序的费用将高达1000美元(测完人类30亿个碱基对将需要3万亿美元)。而于1990年正式启动的‘人类基因组计划’只用了十年时间,花费30亿美元。

  DNA存储着生物体的奥秘,是个非常大的‘数据盘’。当克服了存储和读取上的难题,也许未来某一天,我们所有的硬盘、U盘、网盘都可以丢到一边。用一块硬币大小的DNA,就能存储我们一生需要的数据了。(陈君子)

  参考资料:The New York Times

  头图来源:Geenius                            

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