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相對于磁存儲和光存儲而言,DNA存儲有哪些優勢?

mK5P_AItists ? 來源:腦極體 ? 2020-05-11 15:37 ? 次閱讀

開一個腦洞:如果地球正在面臨一場馬上到來的毀滅性星際災害,人類又想盡可能地保存地球的生命和文明,在現有條件下,該怎么辦?

像大劉一樣讓地球停止自轉然后逃離太陽系,這恐怕來不及了。而如果像諾亞方舟一樣,一股腦把人類、動植物和人類的知識搬運到飛船上,現有的火箭運載能力,恐怕也裝不下這些物質的億萬分之一。

如果想盡可能多、盡可能長久地保存地球的生物,我們只需要把所有物種的DNA序列信息收集打包,在飛船的低溫環境下便可以保存長達數十萬年;而人類文明的信息呢?我們知道這些信息最高效的形式就是數據,而這些數據主要存儲在硬盤和光盤當中的。

想想這些硬盤儲存器的重量和數據密度,我們不得不再一次氣餒。更何況,可能飛船還沒逃出太陽系,這些數據就會因為硬盤或光盤的壽終正寢而丟失。

那么DNA能不能當做硬盤來存儲數據信息呢?答案是,可以的。

DNA絕對是這個星球上最古老的生命信息存儲工具,同樣也可以作為數據信息的存儲介質,且存儲密度和使用壽命要遠遠超出現有的磁盤式的存儲方案。因此,DNA存儲,正在被人類視為數據存儲的未來,成為拯救人類數據存儲危機的最好的替代方案。

DNA存儲具體是怎么做到的呢?現在發展到那一階段?商用的話還有哪些阻礙?這需要我們一一解答。

DNA存儲是如何工作的?

在了解DNA存儲是如何工作的之前,我們簡單了解下磁存儲和光存儲這兩種現有的解決方案的原理。

磁存儲的原理就是在金屬材料上涂上磁性介質,在通電的情況下形成電磁效應,可以進行存儲和表達0101的二進制信息。磁存儲的硬盤的優點是錄入和讀取的速度快,缺點是與體積重量相比,數據密度較低。經過60年發展,大概可以在3.5英寸大小的硬盤驅動上存儲3TB數據。

光存儲的原理是將數字編碼的視頻音頻儲刻錄在光盤表面的凹槽中,再通過激光將這些凹槽中的數據讀取出來,進行轉存或播放。當前,光存儲也正在經歷存儲的極限。因為想要存下更多的數據,凹槽就必須越小、越緊湊,要求激光的精度也越高。目前,單層藍光光盤能夠保存 25GB 以上的信息,另一種紫外線激光如果研制成功,其光盤容量可以達到500GB的容量。

相對于磁存儲和光存儲而言,DNA存儲有哪些優勢?

首先,就是節約空間。但這些單層平鋪式的存儲方式,比起DNA的雙螺旋立體結構來說,其存儲量就有了多個數量級的差距。DAN本身的物理體積極小且又是立體結構,單位空間的數據密度非常高。舉個簡單的例子,1克DNA不到指尖上一滴露珠大小,卻能夠儲存700TB的數據,相當于1.4萬張50GB容量的藍光光盤,或233個3TB的硬盤(差不多151KG重)。

再則,非常節能。現有存儲方式,比如說一個數據中心,要消耗大量的單晶硅,還要消耗大量的電。而DNA物質只需保存在陰涼、干燥的地方就可以,基本不需要額外的人工維護。就算需要把DNA冷凍起來,消耗的資源和能源也幾乎可以忽略不計。

此外,最重要的一點就是,保存時間非常久。現在高密度的存儲器都會隨著時間推移而衰減,能存儲時間最長的工具是磁帶,其壽命也就50年,其他的存儲器壽命更短。比較而言,DNA則保質期就以百年計算了,如果將其冷凍起來,能保存幾千甚至上萬年。

看來人類文明的拯救方案有了,但DNA存儲到底是如何做到的呢?

眾所周知,DNA由四種含氮堿基——A、T、C和G互補配對構成,科學家將腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)分別賦予二進制值(A和C=0 ,G和T=1),隨后通過微流體芯片對基因序列進行合成,從而使該序列的位置與相關數據集相匹配。這樣就把這些堿基對編碼成1和0的組合,就可以用DNA的序列信息來表達二進制的語言了。

當每次將二進制語言寫進DNA序列當中,就可以把“DNA硬盤”放到低溫環境中進行保存。而需要讀取數據的時候,只用對目標DNA進行測序,將堿基對還原成二進制編碼,再完成解碼,就可以還原為我們常見的數據了。

原理是非常簡單,但科學家是如何做到的呢?這就要簡單回顧下DNA存儲技術的發展史了。

DNA存儲是如何一步步發展到現在的?

最先想到這一方法的是一位藝術家Joe Davis,他在1988年與哈佛研究人員合作,把一個取名為Microvenus(小維納斯)的7*5像素矩陣的照片,轉化成35個堿基的DNA序列,插入到大腸桿菌里,第一次把不屬于自然演化的信息寫進了在DNA當中。

(Microvenus代表女性和地球)

2010年,美國合成生物學家克雷格?文特爾((Craig Venter)帶領研究團隊化學合成了整個支原體基因組DNA,取名為“辛西婭(Synthia)”,并以“自娛自樂”的方式將課題研究者的名字、研究所網址和愛爾蘭詩人詹姆斯的詩句等信息編碼進新合成的DNA中。

2011年,哈佛大學的合成生物學家喬治·丘奇(George Church)和加州大學的瑟里·庫蘇里(Sriram Kosuri)領導的團隊以及約翰?霍普金斯大學的基因組專家高原(Yuan Gao)首次進行了概念證明性實驗。團隊使用短DNA片段編碼了一本丘奇的659KB數據的書。

2013年,歐洲生物信息研究所(EBI)的尼克?高德曼(Nick Goldman)和他的研究團隊也成功地將包括莎士比亞十四行詩和馬丁?路德?金“我有一個夢想”的演講片段、一篇沃森和克里克DNA雙螺旋論文副本等5個文件編寫進了DNA片段里當中。739KB數據成為當時最大的DNA存儲文件。

2016年,微軟和華盛頓大學又利用DNA存儲技術完成了約200MB數據的存儲,成為DNA信息存儲技術的一個飛躍。

2017年7月,《自然》雜志發表了哈佛大學醫學院的賽斯?希普曼(Seth Shipman)和喬治·丘奇合作的一項活體DNA存儲的研究。他們把一部130年前的黑白電影《奔跑中的馬》存在了大腸桿菌的DNA上。雖然大腸桿菌體內有一段“奇怪的DNA”,不僅能夠正常生存,還可以正常遺傳,每次繁衍都是一次數據復制。而且存儲在基因組中的電影,在每一代大腸桿菌中也都完整無缺地保存下來了。

但因為細胞的復制、分裂以及死亡,會造成信息出錯的風險,未來數據安全,大多數情況下存儲信息的DNA都是以DNA干粉的形式存在,活體細胞存儲的研究轉向合成DNA存儲。

同一年,哥倫比亞大學和紐約基因組中心在《科學》雜志發表了一項稱為“DNA噴泉”算法高效的DNA存儲策略。這項技術展示了最大化利用DNA的存儲潛力,成功將海量信息壓縮至DNA的四個堿基,即為每個DNA編碼1.6比特(bits)的數據,比之前多存儲了60%的信息,逼近理論極限(1.8比特)。該方法能夠將215PB數據存儲在一克DNA中,相當于2.2億部電影。

2018年,愛爾蘭沃特福德理工學院(WIT)研究人員開發出一種新型DNA存儲方法,可在1克大腸桿菌DNA中存儲1ZB的數據。

2019年,丘奇團隊又在《科學》期刊上發表了一項實驗結果。他們將丘奇的一本大約5.34萬個單詞《再生:合成生物學將如何改變未來的自然和自己》的書,以及11張圖片和一段Java程序,編碼進不到億萬分之一克的DNA微芯片,再成功利用 DNA 測序來閱讀這本書。

這些科研的快速發展也意味著DNA合成技術(數據寫入)和DNA測序技術(數據讀取)正走向成熟。但同時,DNA編碼過程仍然存在著存儲/讀取速度和成本等問題,DNA存儲離商業化還在路上。

DNA存儲商業化的問題與進展

在實驗室里,看起來DNA存儲并不復雜,但是在商業化上面,仍然還面臨著一些問題。

首先,存儲和讀取的速度都很慢。DNA存儲設備的訪問速度很慢,存取也很費時間。相比較磁盤存儲的電磁信號,DNA合成卻要依賴于一系列化學反應。用磁盤寫入200MB數據,不用1秒,用DNA合成差不多得需要3周的時間。

其次,DNA介質不能覆蓋和重寫。在DNA里,一旦把信息存進去,一般來說不能修改。想讀取這個文檔,需要把全部信息完全測序出來再轉碼。

第三,數據存儲的準確性有待提高。目前DNA測序時的重復讀取導致讀錯概率較大。

第四,隨機讀寫困難。目前DNA合成技術無法一次性產生較長的DNA分子,只能合成眾多的短片段。這使得在眾多DNA小片段組成的混合物當中,快速調取特定數據存在困難。

最后,也是最重要的,DNA存儲成本太高了。比如目前DNA存儲200MB數據,需要耗資80萬美元,而用電子設備,成本連1美元都不到。

但正如上面所說,如果放到更長的時間尺度上和數據存儲空間壓力下,DNA具有的大存儲密度、高節能環保、超長穩定性的獨特優勢就顯現出來了。只要隨著存儲和讀取技術的發展,DNA編碼和測序的效率提升,成本大幅下降,DNA存儲離商業化應用也就不遠了。

那么,現在在商業化上有哪些進展呢?

在2015年,微軟公司和華盛頓大學合作發表了一個成果,采用定點讀取信息,也就是給一個長長的DNA鏈里加入一些追蹤標記。這些類似索引機制的標記,可以不用每次等測序完整DNA長鏈,就能選取合適的標記進行讀取。

2018年,讀取技術又實現突破,微軟研發了“納米孔”讀取技術,讓 DNA 介質列能擠過一個很小的納米孔而讀取其中每個 DNA 堿基。這一技術讓大大縮小了讀取設備的空間開支,一個手掌大小的 USB 設備就能進行讀取,但讀取速度在每秒幾KB左右,可以說仍然相當慢。

2019年3月,微軟團隊在《自然》雜志發表一項新的進展,他們開發了世界上第一個自動DNA存儲介質。相比較于手動操作進行DNA的合成和測序,能夠自動化方式進行DNA編解碼才是未來商業化的出路。

另外,關于DNA存儲和讀取時長以及成本的問題,一家2016年成立的美國初創公司Catalog也正試圖嘗試解決。

去年,Catalog將一共16G的維基百科英文版文本存儲在了一個DNA分子上。他們使用了一臺DNA書寫器設備,以4Mbps的速度在DNA中記錄這些數據。這意味著在一天內可以記錄125GB,大約相當于高端手機可以存儲的容量。這一速度已經是之前研究所存儲速度的三倍。

目前,Catalog使用了由20到30個堿基對長預制合成DNA鏈,通過酶嵌套在一起,可以存儲更多的數據。這些片段的排列就像英語使用26個字母一樣,理論上可以創造出無數的組合。據Catalog估計,未來進行1MB數據DNA存儲成本將不到0.001美分。

當然,如果未來這家創業公司真的能夠將成本大幅降下來,那么確實有可能為DNA數據存儲的商業化鋪平道路。

在2019年,《科學美國人》與世界經濟論壇聯合發布的當年全球十大新興技術中, DNA數據儲存技術名列其中。

可以預見,磁存儲和光存儲方式在未來一段時間仍將占據數據存儲方式的主流。不過,即使我們不會出現地球末日這種極端情況,因為近幾年數據激增,人類也正面臨數據存儲空間不足的嚴峻問題。同時,數據存儲需求激增,帶來的是硅晶片使用量的激增,以及由此引發的環境污染問題、水資源和能源消耗等問題。

DNA存儲技術的實現,一定程度將緩解傳統存儲的容量問題,并大幅減少電子元件和能源的消耗。

當然,在存取技術上和成本控制上,DNA存儲為代表的碳基存儲方式還有很長的道路要走,但隨著商業化的進展,其規模普及速度也會加快。從數據存儲的歷史來看,存儲媒介的變化是一個不斷變化且加速的過程,DNA存儲也應該成為我國關注和研究的技術方向。

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原文標題:DNA存儲,拯救人類數據危機的良方?

文章出處:【微信號:AItists,微信公眾號:人工智能學家】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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