DNA芯片：无限空间有限可能
发布时间：2012-9-18 10:47
发布者：李宽
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DNA是个生物数据库，存储着我们体内的海量基因代码。科学家发现，它的这种能力其实还可以用来存储外部信息，一克DNA即能储存上千亿个千兆字节，相当于1000亿G的内容。 近日，哈佛大学维斯生物工程研究所的研究人员将一本大约有5.34万个单词的书籍编码到不到一沙克(亿万分之一克)的DNA（脱氧核糖核酸）微芯片中，连同文字一起的还有11张图片和一段Java程序。这是迄今为止人类使用DNA遗传物质储存数据量最大的一次实验，被刊登在最新《科学》期刊上。团队负责人乔治·丘齐(GeorgeChurch)表示：“今后，拇指大小的设备或许就能存下整个互联网的信息。” DNA存储的“野心” “利用DNA来存储数据并不是一个新的概念。事实上，自从生物学确定了DNA结构，就有研究人员尝试将其用于存储和运算。北京华大基因研究中心医学事业部主任甄二真告诉记者。 他介绍，DNA由4种碱基组成，分别为A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）及T（胸腺嘧啶），它们两两互补成对出现，共同构成了相互缠绕的双链螺旋结构。DNA可以被视为四位运算存储方式，存储量比二位运算存储大得多。 “目前通用的存储模式都是二位运算的。为了存储更多数据，早已有科学家尝试过使用物理方法实现四位运算。但是技术上难以实现，只能出现"有"、"无"、"中间"三种状态，也就是三位运算，无法实际操作。”甄二真说，与之相比，DNA是天然的四位运算，有四个不同状态，与二位运算相比存储量大、运算速度也快得多。 处于信息爆炸的时代，很多科学家尝试以DNA存储数据。比如今年年初，台湾国立清华大学和德国卡尔斯鲁厄技术研究所以三文鱼的DNA作为基础，制造出单次写入多次读取的存储器。不过，这个DNA存储器的有效时长只有30小时。 甄二真表示，这些DNA无法长期存储数据是因为研究人员使用的是来自活细胞的基因组，这些细胞不仅会死亡，而且还会分裂复制，对其中存储的数据有致命性打击。 合成DNA：改变存储模式 为了排除细胞会死亡、分裂、变异而使数据内容发生改变的危险，丘奇率领的团队避免使用活细胞，而是采用人工合成的DNA片段，并将片段用喷墨打印机嵌入到芯片上。 这一次，丘奇选择存储在合成DNA片段上的信息是他的著作《再生：合成生物学将如何改变未来的自然和自己》。首先，他把书中的图片、文字、程序转化为HTML格式的文件，再将其编译为由0和1组成的电脑能够读懂的二进制数据。随后，这些二进制数据被转化为四种碱基，即把0转为A或C，把1转成G或者T，并将其建立在DNA双链螺旋结构上来。 至于读取数据的过程其实就是测序，通过DNA测序仪将DNA序列中的编码按顺序排列，还原为二进制格式的数据，用电脑“读”出来。 尽管听起来很复杂，甄二真表示其中重要一步就是将二进制数据转化为4位运算数据（A、C、G、T），做成DNA链结构，这可以使存储量按级数增长。而以经化学反应得到的合成DNA取代活细胞使得这项研究成果更符合现实意义。此前以细胞内DNA来存储信息一直无法取得技术突破，只能在短期内保证数据安全，此次转换思路是被《科学》认可的关键。 突破传统存储的极限 与目前流行的存储方式相比，DNA存储的最大优势就是单位存储量大。北京邮电大学信息与通信工程学院副教授陈光表示，现在使用的光介质和磁介质在存储量上都几乎达到了极限，这就需要研究其他存储方式，比如DNA存储这样的生物介质。 他告诉记者，磁介质包括磁带、磁盘、硬盘等。硬盘的存储量可达上百G，但由于现在硬盘数据存储密度提升的空间已经有限，基本不太可能出现单碟1000G的硬盘，所以如果硬盘体积不变，容量难以实现大幅突破。而CD、DVD等光介质存储对表面积的要求更大，磁介质可以分几层存储数据，光介质只能单层平铺保存信息，单位存储量更小。 DNA可以很好地解决这一存储量的问题。甄二真表示，这不仅与四位运算的特性有关，也与DNA特有的双链螺旋结构有关。这一结构可以把DNA序列压缩得足够小，整个立体空间都可以利用，比磁介质和光介质的平面存储更具优势。按照哈佛团队给出的数据，“一克DNA即能储存上千亿个千兆字节，相当于1000亿G的内容”。 此外，合成DNA的稳定性也很优秀。陈光介绍，磁介质是建立在电磁的基础上，工作环境受到限制，容易出现消磁等现象；而光介质受环境影响小一些，但耐久性不理想。与这两者相比，合成DNA不存在细胞死亡、变异等影响，在室温下很稳定，甚至可以存放数万年而不变。 来源：北京青年报 |
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