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兩斤DNA裝下“全世界”

佚名 2024-06-03 02:56:09

2016年09月10日訊 那是2011年2月16日,Glodman和一些生物信息學領域的朋友在德國漢堡聊天

,話題是他們如何才能儲存全世界涌來的基因組序列和其他數(shù)據(jù)洪流
。他記得當時談話的科學家因為傳統(tǒng)計算機技術成本昂貴和具有局限性而懊惱不已
,他們開始開玩笑說或許可以嘗試科幻方法
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!拔覀兿?div id="d48novz" class="flower left">
,‘有什么能阻止我們利用DNA儲存信息呢
?’”

隨后,笑聲戛然而止

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!澳鞘腔腥幻魑虻囊豢獭
!盙oldman說
,他是英國辛克斯頓歐洲生物信息學研究所(EBI)的一名團隊負責人,那時他們想到的是與硅基記憶芯片讀寫信息的微秒時間量程相比
,DNA儲存可能會非常緩慢
。它可能需要花費數(shù)個小時,通過合成DNA鏈條以形成具體的基礎模式來編碼數(shù)據(jù)
,還會花費更多時間利用一種測序機器恢復這些信息
。但是如果采用DNA,整個人類基因組都能夠裝入人類肉眼看不見的一個細胞中
。對于信息儲存的純粹密度來說
,DNA可能是硅以外進行長期數(shù)量級信息儲存的最好方式。

“我們坐在酒吧里拿著餐巾紙和圓珠筆

?div id="4qifd00" class="flower right">
!盙oldman說,然后開始記錄我們的想法:“需要做些什么讓它發(fā)揮作用呢
?”研究人員的最大擔心是DNA合成和測序經(jīng)常發(fā)生錯誤
,而且比值高達每100個核苷酸基中就會出現(xiàn)一例錯誤。這會讓大規(guī)模數(shù)據(jù)儲存完全不可靠
,除非他們能夠找到一種可用的糾錯方法
。他們能夠編碼這些信息成為堿基對從而辨別并解除錯誤嗎?“經(jīng)過一個晚上的商討
?div id="jfovm50" class="index-wrap">!盙oldman說,“我們知道我們可以
?div id="jfovm50" class="index-wrap">!?/p>

DNA數(shù)據(jù)儲存

Goldman和EBI的同事Ewan Birney將這一想法搬進了實驗室

,兩年后,他們宣布成功利用DNA編碼了5個文件
,其中包括莎士比亞的十四行詩和一小段馬丁·路德·金的《我有一個夢想》的演講
。而那時,美國哈佛大學生物學家George Church及其位于馬薩諸塞州劍橋的團隊已經(jīng)公開了利用DNA編碼的單獨示范
。但是當時EBI的文件為739千字節(jié)(kB),直到今年7月
,來自微軟和華盛頓大學的研究人員宣稱編成200兆字節(jié)(MB)的文件之前
,它一直是曾經(jīng)編碼的最大DNA檔案。

利用DNA作為儲存介質的最新實驗信號已經(jīng)超越了基因組學的范疇:全世界正面臨數(shù)據(jù)傾軋

。到2020年
,從天文學圖像和期刊論文到YouTube視頻,全球數(shù)據(jù)檔案預計將達44萬億千兆字節(jié)(GB)
,是2013年信息儲量的10倍

這正是為什么難以獲得的數(shù)據(jù)現(xiàn)在需要依賴老式的磁盤記錄永久檔案的原因。這些信息媒介儲存比硅的儲存密度大得多

,但是讀起來卻非常慢
。然而,即便這一方法也變得日益不可持續(xù)
,華盛頓特區(qū)美國情報先進研究計劃署(IARPA)計算神經(jīng)學家David Markowitz說

他表示,很難想象一個數(shù)據(jù)中心的磁帶驅動器上擁有艾字節(jié)(10億GB)的信息

。這樣的一個中心將需要10年間花費10億美元來建造和運行
,并且需要數(shù)億瓦的電量?div id="d48novz" class="flower left">
!胺肿有畔Υ婢哂袑⑦@些條件減少三個數(shù)量級的潛力
。”Markowitz說
。如果信息能被打包成類似大腸桿菌基因的密度
,那些全球的信息儲存需求可能只需要大約1公斤的DNA。

實現(xiàn)這一潛在目標并不容易

。在DNA能夠作為傳統(tǒng)儲存技術的可行競爭者之前
,研究人員需要克服從DNA編碼信息可靠性和恢復用戶需要的信息到讓核苷酸鏈獲得價格低廉、方便迅捷的一系列挑戰(zhàn)

盡管如此

,解決這些挑戰(zhàn)的工作正在進行。北卡羅來納州半導體研究公司(SRC)正在進行DNA信息儲存工作
?div id="jfovm50" class="index-wrap">!?0年來
,我們一直在尋找硅以外的物質”進行數(shù)據(jù)儲存,SRC主任及首席科學家Victor Zhirnov說
,“它很難置換
。”他說
,但是DNA作為其中的一名具有實力的候選途徑
,“似乎很有可能實現(xiàn)”。

長期記憶

第一個用4個DNA堿基對繪制1和0等數(shù)據(jù)信息的人是藝術家Joe Davis

,他在1988年曾與哈佛大學研究人員合作
。他們在大腸桿菌中插入了DNA序列,編碼了僅僅35個比特
。在組成5×7的矩陣后
,使所有的1均對應暗像素,所有的零均對應亮像素
,形成了記錄生活和女性故事的古德國詩歌

現(xiàn)在,Davis正在與Church的實驗室合作

,從2011年開始探索DNA數(shù)據(jù)儲存
。這個哈佛團隊希望,這一應用有助于減少合成DNA的高成本
,正如基因組學已經(jīng)降低了測序成本那樣
。Church在2011年11月與現(xiàn)在加州大學洛杉磯分校工作的Sri Kosuri以及約翰斯·霍普金斯大學基因組專家Yuan Gao合作,進行了概念驗證實驗
。該團隊利用許多DNA短鏈編碼了一本Church共同編著的659kB的書籍
。每個短鏈的一部分都是一個地址,闡述了這些片段經(jīng)過測序之后應該如何整理
,而其余的短鏈則包含了數(shù)據(jù)
。最終,在對這些鏈條進行測序之后
,Kosuri
、Church 和Gao發(fā)現(xiàn)了22處錯誤,對于可靠信息儲存來說
,這些錯誤顯然過多

同時,在EBI

,Goldman
、Birney及其同事也在利用大量DNA鏈條編碼其739kB的數(shù)據(jù)儲存,其中包括圖像、文本
、視頻文件以及Watson和Crick關于DNA雙螺旋結構的一篇標志性論文的PDF文件
。為了避免重復性的堿基和其他錯誤,ENI團隊采用了更加復雜的方式
。通過使用被25個堿基逐漸改變的相互重合的100個堿基長鏈
,ENI科學家還確保堿基組件中都有不同的糾錯以及相互對照版本。

盡管如此

,具有諷刺意味的是
,他們依然丟失了25個堿基中的兩個。然而
,這些研究結果讓Goldman相信
,DNA擁有成為價格低廉、長期數(shù)據(jù)儲存介質的潛力
,那將需要極少的能量實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)儲存?div id="jfovm50" class="index-wrap">!盎蛟S最多10年之后
,沒有人會再相信磁帶儲存。如果你需要保證文件復本的安全
,一旦你能夠將其寫在DNA上
,就可以把它丟在一個洞穴里忘掉它,直到你希望重新讀取它的那一天
?div id="jfovm50" class="index-wrap">!?/p>

新興領域

自從在2013年訪問英國時聽到Goldman談起DNA儲存之后,這種可能性已經(jīng)吸引了華盛頓大學計算學家Luis Ceze和雷德蒙德微軟研究公司的Karin Strauss的關注

?div id="m50uktp" class="box-center"> !癉NA的密度、穩(wěn)定性以及成熟度讓我們對它非常感興趣
?div id="m50uktp" class="box-center"> !盨trauss說。

在伊利諾伊大學香檳分校

,計算學家Olgica Milenkovic及其同事已經(jīng)開發(fā)出一種隨機存取方式
,可以重新編輯編碼的數(shù)據(jù)。他們的方法可以在處理DNA長鏈兩端的序列時儲存數(shù)據(jù)
。研究人員隨后或是利用聚合酶鏈反應或是利用CRISPR-Cas9等方法挑選
、增加以及重新編寫DNA鏈條。

DNA數(shù)據(jù)儲存方面面臨的其他挑戰(zhàn)是規(guī)?div id="m50uktp" class="box-center"> ;约凹铀俸铣煞肿?div id="m50uktp" class="box-center"> ,Kosuri說,他承認因為這些原因

,他本人對該方法并不看好
。他回憶說
,在哈佛大學做實驗的初期,“我們做到了700kB
。使其增加1000倍達到700MB
,才是一張CD的容量”。而若要真正解決全世界的數(shù)據(jù)檔案問題
,至少需要拍字節(jié)的儲存能力
。“這并非不可能
?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">!盞osuri說,“但是人們需要意識到這樣大的規(guī)模是建立在提高百萬倍的基礎上
?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">!倍@肯定不容易。

Goldman堅信這只是時間問題

?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">!拔覀兊墓烙嬍切枰蛊鋬Υ婺芰μ岣?0萬倍才能讓這種技術的效益看得見,我們認為它非?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">?煽?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">。”他說
,“過去的表現(xiàn)或許不能說明什么?div id="4qifd00" class="flower right">
,F(xiàn)在每一兩年就會出現(xiàn)新的讀取技術。六個數(shù)量級的增長對于基因組學來說只是小菜一碟
。請拭目以待
。”

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