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微软与华盛顿大学:共创DNA存储新纪录

题图:华盛顿大学副教授Luis Henrique Ceze(照片中的男士)和研究科学家Lee Organick正将数字数据保存进DNA测序,以供“读取”并追溯原始文件。

来自微软和华盛顿大学的研究人员已在DNA储存技术上取得了初期突破性进展 —— 在分子链上存储了破纪录的200MB数据。

然而,这项技术最令人惊叹的并非是能将数据编入合成DNA并可实现解码,而是它可实现的存储容量。

“一旦编入DNA,数据在试管中所占空间甚至小于铅笔笔尖。”该项目的微软合伙人级架构师Douglas Carmean说。

让我们来试想一下,将一个大型数据中心的数据压缩进几块方糖大小的空间。或是因特网上所有公开数据的存储只需一个鞋盒大小的空间。这就是DNA存储技术的前景 —— 只等科学家们攻克一系列技术难关并实现大规模应用。

微软-华盛顿大学研究小组在DNA链中储存了多件艺术作品的电子版(包括了OK Go!乐队的高清视频)、《世界人权宣言》的上百个语言版本、古登堡计划前100本图书以及非营利机构全球农作物多样性信托基金(Crop Trust)的种子数据库。

今天,数据存储需求呈指数级增长,但现有存储媒介的容量却未能与之匹配。这让有大量数据存储需求的组织、机构非常困扰,例如那些需要保存病患资料的医院和需要保存视频文件的公司。这意味着信息将会丢失,而且如果没有新的解决方案,这一问题将日益严重。

DNA也许就是上述问题的答案。

作为储存媒介,DNA具备多个优势。例如体积微小、耐用 —— 妥善保管的话,能保存很长时间(比如,猛犸象虽然在几千年前已灭绝,我们依旧能通过DNA追溯到它们),而且研究人员相信DNA永不“过时”。

微软研究员Karin Strauss说:“只要地球上有基于DNA的生命存在,我们就有兴趣研究。所以我认为DNA永远和我们息息相关。”

这也解释了为什么微软-华盛顿大学研究小组只是全球众多致力于研究DNA这座数字象牙塔的团队之一。

研究员们认识到这一研究还有很多工作要做。

华盛顿大学计算机科学与工程副教授、研究小组成员之一Luis Henrique Ceze说,近几年生物科技产业在DNA合成(编码)与测序(解码)技术上有了长足的进步。尽管如此,要让DNA存储成为一项稳定可行的技术,团队还有很多工作要做。

但是,研究员们都很乐观。

去年,这个由计算机科学家、计算机架构师以及分子生物学家组成的研究小组已将DNA存储能力提升了上千倍。他们相信如果在整个过程中运用“纠错”等计算机科学原理可以加速完善DNA存储技术。

为了解微软-华盛顿大学小组的研究工作,让我们回忆一下高中生物课上的DNA知识 —— DNA又被称为脱氧核糖核酸,是一种携带所有已知生命体生长、发育、运行和繁殖等生物指令的分子。

Ceze做研究的分子信息系统实验室(Molecular Information System Lab)坐落在华盛顿大学的某个地下室,“DNA是一个非常棒的信息存储分子,可以对一个生命系统运行模式的数据进行编码。我们正对这一特性进行微调,以保存包括图片、视频和文件在内的数字数据。这也是借鉴物体本质、打造更好的计算机系统一个范例。”

在DNA中保持数字数据的流程基本如下:

首先,需要将数据从1和0转译成DNA分子中的四种核苷酸碱基,即腺嘌呤(A 或Adenine)、胞嘧啶(C或Cytosine)、鸟嘌呤(G或Guanine)、胸腺嘧啶(T或Thymine)。

DNA合成公司Twist Bioscience会“将还处于电子形式的核苷酸碱基合成为DNA分子,并发还研究员。”Strauss说,“其实就是一支试管,你几乎看不到里面有什么。看上去就好像底部有一些已干燥的盐。”

利用生物技术微调随机存取内存 (RAM)以读取数据,是又一个从计算机科学借鉴的概念。研究小组通过一种分子生物学家经常用来控制DNA的技术——聚合酶链式反应(PCR)——对所需回收的分子链进行复制或者“放大”。一旦所需信息密度大幅增加,研究员将开始采样,测序或解码DNA,然后进行错误校正计算。

关于科研的介绍就到此为止了,最后一个问题:为什么要选了OK Go!的音乐视频? “我们非常喜欢这个视频,因为它和我们的工作有许多相似之处。”Strauss笑着说,“他们非常有创意,把形形色色的东西融入自己的音乐里,我们的工作也正是如此。”