宅男福音再思考 硬盘过时是迟早的事，但 DNA 存储数据造福万千大众是不是太科幻了？

DNA 的存储能力据说是同样大小光盘的一万亿倍。...



摘要：DNA 的存储能力“据说”是同样大小光盘的一万亿倍。

前几天露露推送了一篇宅男福音 | 硬盘里的电影无处可放？哈佛教授找到解决方案，永不遗失！，观众老爷们可谓反响剧烈，炸出了很多生物素养很强的小伙伴，这几天，别的平台也有专业人士对此新闻进行了评价，让我们来一起看看吧，我们离宅男的光辉福利到底有多远~

让我们把时间轴往前拉一按~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

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（http://t.cn/RKYKIwN）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 只有 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」（http://t.cn/RKYKWPo）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。


左边是原始动画，右边是从细菌 DNA 中复原的动画

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（http://t.cn/RKYKnrK）存入了 DNA 中。2012 年，Church 将自己的书《Regenesis》（http://t.cn/RKYKd72）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

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 个电极啊，」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（http://t.cn/RKY97fB）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（http://t.cn/RKY9bnf）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 12,400 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 目前只能由专门的 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

「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。

总之，露露觉得，这件事情仍然停留在“实验室”阶段，做到量产和投放消费市场仍然有待十日，甚至技术的成熟度也是有待商榷的。但我们也从中看到了科技给我们存储方式带来的巨大变化。毕竟几年前我们用U盘的时候，谁会去想云存储呢？

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