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DNA是個生物數(shù)據(jù)庫，存儲著我們體內(nèi)的海量基因代碼�？茖W家發(fā)現(xiàn)，它的這種能力其實還可以用來存儲外部信息，一克DNA即能儲存上千億個千兆字節(jié)，相當于1000億G的內(nèi)容。 近日，哈佛大學維斯生物工程研究所的研究人員將一本大約有5.34萬個單詞的書籍編碼到不到一沙克(億萬分之一克)的DNA（脫氧核糖核酸）微芯片中，連同文字一起的還有11張圖片和一段Java程序。這是迄今為止人類使用DNA遺傳物質(zhì)儲存數(shù)據(jù)量最大的一次實驗，被刊登在最新《科學》期刊上。團隊負責人喬治·丘齊(GeorgeChurch)表示：“今后，拇指大小的設(shè)備或許就能存下整個互聯(lián)網(wǎng)的信息。” DNA存儲的“野心” “利用DNA來存儲數(shù)據(jù)并不是一個新的概念。事實上，自從生物學確定了DNA結(jié)構(gòu)，就有研究人員嘗試將其用于存儲和運算。北京華大基因研究中心醫(yī)學事業(yè)部主任甄二真告訴記者。 他介紹，DNA由4種堿基組成，分別為A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鳥嘌呤）及T（胸腺嘧啶），它們兩兩互補成對出現(xiàn)，共同構(gòu)成了相互纏繞的雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)。DNA可以被視為四位運算存儲方式，存儲量比二位運算存儲大得多。 “目前通用的存儲模式都是二位運算的。為了存儲更多數(shù)據(jù)，早已有科學家嘗試過使用物理方法實現(xiàn)四位運算。但是技術(shù)上難以實現(xiàn)，只能出現(xiàn)"有"、"無"、"中間"三種狀態(tài)，也就是三位運算，無法實際操作�！闭缍嬲f，與之相比，DNA是天然的四位運算，有四個不同狀態(tài)，與二位運算相比存儲量大、運算速度也快得多。 處于信息爆炸的時代，很多科學家嘗試以DNA存儲數(shù)據(jù)。比如今年年初，臺灣國立清華大學和德國卡爾斯魯厄技術(shù)研究所以三文魚的DNA作為基礎(chǔ)，制造出單次寫入多次讀取的存儲器。不過，這個DNA存儲器的有效時長只有30小時。 甄二真表示，這些DNA無法長期存儲數(shù)據(jù)是因為研究人員使用的是來自活細胞的基因組，這些細胞不僅會死亡，而且還會分裂復制，對其中存儲的數(shù)據(jù)有致命性打擊。 合成DNA：改變存儲模式 為了排除細胞會死亡、分裂、變異而使數(shù)據(jù)內(nèi)容發(fā)生改變的危險，丘奇率領(lǐng)的團隊避免使用活細胞，而是采用人工合成的DNA片段，并將片段用噴墨打印機嵌入到芯片上。 這一次，丘奇選擇存儲在合成DNA片段上的信息是他的著作《再生：合成生物學將如何改變未來的自然和自己》。首先，他把書中的圖片、文字、程序轉(zhuǎn)化為HTML格式的文件，再將其編譯為由0和1組成的電腦能夠讀懂的二進制數(shù)據(jù)。隨后，這些二進制數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化為四種堿基，即把0轉(zhuǎn)為A或C，把1轉(zhuǎn)成G或者T，并將其建立在DNA雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)上來。 至于讀取數(shù)據(jù)的過程其實就是測序，通過DNA測序儀將DNA序列中的編碼按順序排列，還原為二進制格式的數(shù)據(jù)，用電腦“讀”出來。 盡管聽起來很復雜，甄二真表示其中重要一步就是將二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為4位運算數(shù)據(jù)（A、C、G、T），做成DNA鏈結(jié)構(gòu)，這可以使存儲量按級數(shù)增長。而以經(jīng)化學反應得到的合成DNA取代活細胞使得這項研究成果更符合現(xiàn)實意義。此前以細胞內(nèi)DNA來存儲信息一直無法取得技術(shù)突破，只能在短期內(nèi)保證數(shù)據(jù)安全，此次轉(zhuǎn)換思路是被《科學》認可的關(guān)鍵。 突破傳統(tǒng)存儲的極限 與目前流行的存儲方式相比，DNA存儲的最大優(yōu)勢就是單位存儲量大。北京郵電大學信息與通信工程學院副教授陳光表示，現(xiàn)在使用的光介質(zhì)和磁介質(zhì)在存儲量上都幾乎達到了極限，這就需要研究其他存儲方式，比如DNA存儲這樣的生物介質(zhì)。 他告訴記者，磁介質(zhì)包括磁帶、磁盤、硬盤等。硬盤的存儲量可達上百G，但由于現(xiàn)在硬盤數(shù)據(jù)存儲密度提升的空間已經(jīng)有限，基本不太可能出現(xiàn)單碟1000G的硬盤，所以如果硬盤體積不變，容量難以實現(xiàn)大幅突破。而CD、DVD等光介質(zhì)存儲對表面積的要求更大，磁介質(zhì)可以分幾層存儲數(shù)據(jù)，光介質(zhì)只能單層平鋪保存信息，單位存儲量更小。 DNA可以很好地解決這一存儲量的問題。甄二真表示，這不僅與四位運算的特性有關(guān)，也與DNA特有的雙鏈螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)。這一結(jié)構(gòu)可以把DNA序列壓縮得足夠小，整個立體空間都可以利用，比磁介質(zhì)和光介質(zhì)的平面存儲更具優(yōu)勢。按照哈佛團隊給出的數(shù)據(jù)，“一克DNA即能儲存上千億個千兆字節(jié)，相當于1000億G的內(nèi)容”。 此外，合成DNA的穩(wěn)定性也很優(yōu)秀。陳光介紹，磁介質(zhì)是建立在電磁的基礎(chǔ)上，工作環(huán)境受到限制，容易出現(xiàn)消磁等現(xiàn)象；而光介質(zhì)受環(huán)境影響小一些，但耐久性不理想。與這兩者相比，合成DNA不存在細胞死亡、變異等影響，在室溫下很穩(wěn)定，甚至可以存放數(shù)萬年而不變。 來源：北京青年報 |
