原创 DNA存储,拯救人类数据危机的良方?

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原创 DNA存储,拯救人类数据危机的良方?

光存储的原理是将数字编码的视频和音频储刻录在光盘表面的凹槽中,再通过激光将这些凹槽中的数据读取出来,进行转存或播放。当前,光存储也正在经历存储的极限。因为想要存下更多的数据,凹槽就必须越小、越紧凑,要求激光的精度也越高。目前,单层蓝光光盘能够保存 25GB 以上的信息,另一种紫外线激光如果研制成功,其光盘容量可以达到500GB的容量。

相对于磁存储和光存储而言,DNA存储有哪些优势?

首先,就是节约空间。但这些单层平铺式的存储方式,比起DNA的双螺旋立体结构来说,其存储量就有了多个数量级的差距。DAN本身的物理体积极小且又是立体结构,单位空间的数据密度非常高。举个简单的例子,1克DNA不到指尖上一滴露珠大小,却能够储存700TB的数据,相当于1.4万张50GB容量的蓝光光盘,或233个3TB的硬盘(差不多151KG重)。

再则,非常节能。现有存储方式,比如说一个数据中心,要消耗大量的单晶硅,还要消耗大量的电。而DNA物质只需保存在阴凉、干燥的地方就可以,基本不需要额外的人工维护。就算需要把DNA冷冻起来,消耗的资源和能源也几乎可以忽略不计。

此外,最重要的一点就是,保存时间非常久。现在高密度的存储器都会随着时间推移而衰减,能存储时间最长的工具是磁带,其寿命也就50年,其他的存储器寿命更短。比较而言,DNA则保质期就以百年计算了,如果将其冷冻起来,能保存几千甚至上万年。

看来人类文明的拯救方案有了,但DNA存储到底是如何做到的呢?

众所周知,DNA由四种含氮碱基——A、T、C和G互补配对构成,科学家将腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)分别赋予二进制值(A和C=0 ,G和T=1),随后通过微流体芯片对基因序列进行合成,从而使该序列的位置与相关数据集相匹配。这样就把这些碱基对编码成1和0的组合,就可以用DNA的序列信息来表达二进制的语言了。

当每次将二进制语言写进DNA序列当中,就可以把“DNA硬盘”放到低温环境中进行保存。而需要读取数据的时候,只用对目标DNA进行测序,将碱基对还原成二进制编码,再完成解码,就可以还原为我们常见的数据了。

原理是非常简单,但科学家是如何做到的呢?这就要简单回顾下DNA存储技术的发展史了。

DNA存储是如何一步步发展到现在的?

最先想到这一方法的是一位艺术家Joe Davis,他在1988年与哈佛研究人员合作,把一个取名为Microvenus(小维纳斯)的7*5像素矩阵的照片,转化成35个碱基的DNA序列,插入到大肠杆菌里,第一次把不属于自然演化的信息写进了在DNA当中。

(Microvenus代表女性和地球)

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