伊莉討論區

標題: DNA儲存信息：一克DNA相當千億張DVD容量 [打印本頁]

作者: swdefr66 時間: 2012-9-7 09:14 PM 標題: DNA儲存信息：一克DNA相當千億張DVD容量

要說信息存儲，沒有一樣比得過DNA。人們很早就覬覦我們自身的基因代碼存儲數據的潛力，但如何將信息編碼進DNA遺傳物質再如何解讀出來，一直是個難題。近日DNA存儲取得了突破，來看《外灘畫報》帶來的詳細介紹：

近日，哈佛大學維斯生物工程研究所的一群研究人員嘗試將一本大約有5.34萬個單詞的書籍編碼到不到一沙克(億萬分之一克)的DNA微芯片中，連同文字一起的還有11張圖片和一段Java程序。這是迄今為止人類使用DNA遺傳物質儲存數據量最大的一次實驗。 “今後，拇指大小的設備就能存下整個互聯網的信息。”該項目首席研究員、哈佛大學遺傳學家喬治·丘奇(George Church)說，被編碼進DNA的書正是他的大作《再生：合成生物學將如何改變未來的自然和自己》。

這項實驗被刊登在《科學》期刊上。但因編碼存儲和讀取過程太過昂貴，DNA存儲離商業化還有一段距離。 “隨著DNA合成、測序價格的不斷下降，這或許將成為長期存儲數據的一種選擇。”哈佛大學生物學教授可蘇里(Sriram Kosuri)說。這一實驗，或許為解決未來社會爆炸性的大數據存儲指明了方向。

從二進製到鹼基對編碼

DNA是生物數據庫，它的主要功能就是存儲包含各種指令的生物信息。 DNA有G(鳥嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)四種鹼基，共同構成了相互纏繞的雙鏈階梯狀的螺旋結構。通過這四種鹼基不同順序的編碼，存儲了生物所有的遺傳信息。

現代計算機技術奠基者之一馮·諾依曼曾在1948 年提出“自動複製機器”的設想：一個能夠自我繁殖的系統，不僅能夠構建某個組成元素，結構和自己一致的下一代，也能夠把對自身的描述傳遞給下一代，如此往復。後來隨著生物遺傳的奧妙被發現，人們意識到，DNA 雙螺旋結構正是馮·諾依曼描述的自動複製機器。

DNA裡的四種鹼基，兩兩互補成對。一個最短的DNA分子也有4000個鹼基對，可能的排列方式就有44000種。鹼基對排列順序千變萬化，從而能夠存儲大量的遺傳信息。

向活體DNA裡寫入數據，有諸多困難，細胞會死亡、分裂、變異，數據內容就會發生改變。

在本文開頭提到的那項實驗中，科學家們沒有採用活細胞的基因組，而是採用了人工合成的DNA片段。他們用很多短的DNA序列而非長DNA序列來編碼數據，這類似於硬盤寫入的原理，在硬盤中，數據是被寫入稱為扇區的小硬盤塊，這樣能夠降低寫入和讀取數據的困難和成本。科學家們將這種片段用噴墨打印機嵌入到微陣列芯片表面。接著，他們把計劃寫入DNA的書裡包含的信息：圖片、文字、程序轉化為HTML格式的文件，並將這些文件編譯為由0和1組成的電腦能夠讀懂的2進制數據。然後，他們將2進制數據轉為四種鹼基，把0轉為A或C，把1轉成G或者T，並建立DNA鏈來維繫這些編碼的順序和位置。每一個DNA片段還包含一個數字“條碼”，記錄它在原始文件中的位置，每個片段被合成多個拷貝以便有助於校正錯誤。編碼完成後，這些芯片會在4攝氏度下保持三個月。

測序就是讀取數據的過程：啟用DNA測序裝置，將所有DNA片斷中的編碼按照標記順序排列，再還原成2 進制格式的數據。每個DNA 片斷的每一個拷貝被測序高達3000次以便校對。利用這種方式，他們將5.27兆數據中的錯誤降低到只有12個。這種尺寸微小的存儲設備，存儲密度遠遠高於DVD、硬盤等介質，效果也毫不遜色。

丘奇認為，和其他生物存儲介質相比，DNA存儲比較可靠，在室溫下也是穩定的，你甚至可以將它放在任何地方，幾十萬年後，它還在那裡。現在的問題是，DNA 存儲設備的訪問速度很慢，存取和讀取都很花費時間，如何覆蓋和重寫數據也是個問題。好消息是，隨著測序技術的進展，DNA 編碼和測序的成本會逐年下降，離商業化應用也就不遠了。

生物硬盤

在人們把目光投向生物存儲之前，佔據存儲市場主流的就是現在的存儲介質，主要是磁盤、光盤。 1949年，電腦的磁存儲設備問世，意味著信息可以隨時存取和控制，這個設備改變了整個行業。一塊鋁製圓片，塗上磁性介質，因為磁有正負級，在電磁效應作用下，可以方便地存儲和表達010101的二進制信息。無論磁盤還是硬盤，基本原理幾乎一樣。經過60 多年的發展，磁存儲行業已經可以在3.5英寸大小的驅動上存儲3TB數據。

另一種主流的光存儲也在不斷挑戰存儲極限。光盤將數字編碼的視頻和音頻儲存在光盤表面的凹槽中。激光讀取這些凹槽的背面，就能播放儲存的電影節目。光盤包含的數據越多，凹槽就必須越小、越緊湊。與之相對，讀取激光的精度也必須越來越高。普通DVD使用的是紅色激光在凹槽裡記錄信息，藍色激光波長比紅色激光長，較小的光束聚焦更準確。此外，藍光光盤將軌距從0.74微米縮小到0.32微米。更小的凹槽，更小的光束以及更短的軌距結合，藍光的問世正是順應了大數據存儲的潮流。現在單層藍光光盤能夠保存25GB 以上的信息，是DVD 可儲存信息量的5倍。還有人在研髮用紫外線做激光，其波長比藍光更短，如果成功，一張光盤可以保存500GB的數據。

這些存儲方式有一個共同的缺點，磁片表面也好，光盤表面也好，都是單層的平鋪式地記錄和保存信息，哪怕磁盤每一層可以疊加，也和DNA封閉的雙螺旋立體結構無法媲美，記錄的數據量相去甚遠。一克DNA即能儲存上千億個千兆字節，相當於1000億張DVD光盤的內容。

隨著摩爾定律的升級，人們已經逐步接近傳統電子製造的極限。人們早就開始在自然中尋找解決問題的靈感。早在2007年，就有日本科學家研究利用趨磁細菌製造出和傳統計算機原件類似的東西，代替磁盤存貯數據。今年初，又爆出德國和台灣的一個聯合科研團隊以三文魚的DNA作為基礎，製造出單次寫入多次讀取的存儲器。不過，那個DNA存儲裝置只能儲存數據至多30小時，且它並沒有利用DNA的結構進行編碼。

這是個數據爆炸的時代，無處不在的攝像頭，互聯網上成倍增長的信息，大量手持設備的照片、視頻？如果生物存儲技術足夠成熟，人們可以記錄所有想記錄的一切，而不必擔心家裡沒有地方放硬盤。市政部門也不必每隔一段時間就清理街道攝像頭的視頻記錄，釋放存儲空間。

微流體和芯片實驗室的發展，讓DNA合成和測序變成一項日常工作。以前，要解碼一個人類基因得花幾年，現在用微流體芯片技術只要不到一天。如果用於長期存儲，這樣的速度還是可以接受的。隨著DNA讀寫技術的商業化，未來的DNA硬盤，或許會和今天的硬盤、光碟一樣普遍。

[attach]81162536[/attach]
哈佛大學研究人員將一本大約有5.34 萬個單詞的書籍編碼進不到億萬分之一克的DNA 微芯片，然後成功利用DNA 測序來閱讀這本書。

[attach]81162546[/attach]
這是迄今為止人類使用DNA 遺傳物質儲存數據量最大的一次實驗。

[attach]81162558[/attach]
“今後，拇指大小的設備就能存下整個互聯網的信息。”該項目的首席研究員、哈佛大學遺傳學家喬治·丘奇說。

作者: jerry9016217 時間: 2012-9-8 01:12 PM

感謝大大的提供和無私的分享辛苦了

作者: k9753124 時間: 2012-9-8 05:58 PM

提示: 作者被禁止或刪除內容自動屏蔽

作者: Alcandy 時間: 2012-9-8 06:11 PM

提示: 作者被禁止或刪除內容自動屏蔽

作者: 重劍殤 時間: 2012-9-9 01:40 AM

看來在這樣研究下去東西小
效果越好的時代早晚就會到來了

作者: superolder 時間: 2012-9-9 09:32 AM

希望這個,]DNA儲存信息：一克DNA相當千億張DVD容量,快出..

作者: tn00366111 時間: 2012-9-9 10:34 AM

提示: 作者被禁止或刪除內容自動屏蔽

作者: wwweric789 時間: 2012-9-9 11:54 AM

等到那時候有這技術實
我不知已有多老了

作者: 111042 時間: 2012-9-9 12:02 PM

果然神才是最厲害的

作者: a4511781 時間: 2012-9-9 12:35 PM

這得太扯了不能想像未來會怎樣

作者: k830405 時間: 2012-9-9 02:09 PM

提示: 作者被禁止或刪除內容自動屏蔽

作者: ww863757 時間: 2012-9-9 03:12 PM

好厲害的新發明～~~ 感謝大大貼文不然我都不知道有這個技術

作者: 7515520 時間: 2012-9-9 03:21 PM

提示: 作者被禁止或刪除內容自動屏蔽

作者: wu6491 時間: 2012-9-9 04:16 PM

感謝大大的分享...
未來的東西...不知道是否有生看到...

作者: frameon 時間: 2012-9-10 12:56 PM

提示: 作者被禁止或刪除內容自動屏蔽

作者: OxAlvinxO 時間: 2012-9-10 08:46 PM

以後就拿來當作硬碟吧..

作者: nickjimmy 時間: 2012-9-11 12:43 AM

這真是科學的一大發現啊
希望有一天可以應用
這樣隨身碟就可以非常迷你了

作者: impecode123 時間: 2012-9-11 12:13 PM

挖屋好酷喔可是不知道會不會被微生物分解或氧化~.~
如果重要的資料被分解就哭哭了QQ

作者: mydd 時間: 2012-9-11 09:06 PM

我現在才知道這個數據耶真是很有意思的說

作者: eddinn 時間: 2012-9-12 09:36 AM

DNA果然還是最強大的，能儲存很大量的資料

作者: m791014 時間: 2012-9-12 10:41 PM

這真的是依樣創舉阿...說不定哪天會有人體手機

作者: c_c_c_c77 時間: 2012-9-13 09:20 AM

挖塞~這個太厲害了!!!
不知道未來是不是可以研究出把知識內建在DNA裡面?

作者: X3774913000 時間: 2012-9-13 10:43 AM

太猛了...
可是藥價不斐吧
太貴了

作者: c957155 時間: 2012-9-13 07:59 PM

一克DNA相當千億張DVD容量
從另一個角度上看我們很渺小儲存空間就是這樣

作者: jankin 時間: 2012-9-13 10:30 PM

這些研究人員真的是辛苦了，可以發展出新的技術，真的需要很多的的努力。

作者: sid814 時間: 2012-9-19 01:57 AM

未來就在也不需要行動儲存裝置了

作者: kyoco 時間: 2012-9-19 05:12 AM

挖賽
超屌的
希望有生之年能看到這項技術普及
以後儲存空間將不再是難題了

作者: yagnch41 時間: 2012-9-19 06:47 PM

太神奇了~~~現在的儲存裝置越來越精簡化!!!

作者: zxc1357911b 時間: 2012-9-19 09:23 PM

生物科技發展可能性很大呢~!!
原來在厲害的就是我們自己阿~~!!!

作者: bluesky19931215 時間: 2012-9-19 10:39 PM

從以前就有聽到這種訊息了如果真的可以成功我看人類的資訊記憶體又會掀起一翻大波

作者: INJ0603 時間: 2012-9-20 12:15 AM

提示: 作者被禁止或刪除內容自動屏蔽

作者: b0211 時間: 2012-9-20 06:44 AM

生物的構造真的是非常非常的奧妙~~
我們也只發現一小部份而已!!!!

作者: z12369874 時間: 2012-9-22 05:57 PM

很多東西都是相輔相成的有好的裝置貯存也要有相當程度的傳輸速率!!!
大家加油阿

作者: 滅跡 時間: 2012-9-22 08:15 PM

提示: 作者被禁止或刪除內容自動屏蔽

歡迎光臨伊莉討論區 (http://www78585.eyny.com/)