基于DNA的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)留在這里
研究人員再次完成了這項(xiàng)工作 - 編碼了520萬比特的DNA串?dāng)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù),并展示了將DNA用作長期數(shù)據(jù)密集存儲(chǔ)介質(zhì)以獲取大量信息的可行性。在今天(1月23日)在“自然”雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新研究中,研究人員編寫了一張彩色照片,26小時(shí)的馬丁·路德·金的“我有一個(gè)夢(mèng)想”演講,以及所有154部莎士比亞已知的十四行詩進(jìn)入DNA。
雖然這不是第一個(gè)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在DNA中的例子,“重要的是要慶祝一個(gè)領(lǐng)域的出現(xiàn),” 哈佛大學(xué)合成生物學(xué)家喬治·丘奇說,他自己的團(tuán)隊(duì)去年發(fā)表了類似的基于DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的演示??茖W(xué)。他說,這項(xiàng)新研究“正在推動(dòng)事態(tài)發(fā)展。”
科學(xué)家們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到DNA作為長期儲(chǔ)存介質(zhì)的潛力。“DNA是一種非常非常密集的信息存儲(chǔ),” 歐洲分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室 - 歐洲生物信息學(xué)研究所(EMBL-EBI)的研究作者Ewan Birney解釋說。“它非常輕,非常小。”在正確的儲(chǔ)存條件下 - 干燥,黑暗和寒冷的DNA很容易抵抗降解,他說。
合成定義的DNA串并對(duì)其進(jìn)行測(cè)序以提取信息的進(jìn)展最終使基于DNA的信息存儲(chǔ)成為可能。去年夏天,Church的小組發(fā)布了DNA的存儲(chǔ)能力的第一次演示,將Church的書Regenesis(包括11張JPEG圖像)的數(shù)字版本編碼到DNA中,使用Gs和Cs表示二進(jìn)制代碼的1,而As和Ts代表0。
現(xiàn)在,Birney和他的同事正在尋求減少與DNA存儲(chǔ)相關(guān)的錯(cuò)誤。當(dāng)DNA鏈具有一系列相同的堿基時(shí),下一代測(cè)序技術(shù)難以正確讀取序列。例如,教會(huì)的工作在520萬比特中產(chǎn)生了10個(gè)錯(cuò)誤。為了防止這些類型的錯(cuò)誤,Birney和他的EMBL-EBI合作者Nick Goldman首先將每個(gè)字節(jié) - 一個(gè)由8個(gè)0和1組成的字符串 - 轉(zhuǎn)換為由0或6位0,1s和2組成的單個(gè)“trit”。然后,當(dāng)將這些特征轉(zhuǎn)換為DNA的A,G,T和C堿基時(shí),研究人員通過使用在確定哪個(gè)堿基代表下一個(gè)數(shù)字時(shí)考慮前一個(gè)堿基的代碼來避免重復(fù)堿基。
合成過程也會(huì)引入錯(cuò)誤,為每500個(gè)正確的錯(cuò)誤提供錯(cuò)誤的基礎(chǔ)。為了減少這種類型的誤差,研究人員合成了117個(gè)核苷酸(nt)的重疊區(qū)段,每個(gè)區(qū)段與前后鏈重疊,這樣所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都被編碼了四次。Birney解釋說,這有效地消除了讀數(shù)錯(cuò)誤,因?yàn)樗兴膫€(gè)串具有相同的合成誤差的可能性可以忽略不計(jì)。
位于加利福尼亞州的安捷倫科技公司合成了每個(gè)117-nt DNA片段的100多萬份拷貝,將其作為干粉儲(chǔ)存,并在室溫下通過英國從美國運(yùn)往德國。在那里,研究人員取出樣品的等分試樣,使用新一代測(cè)序技術(shù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)序,并重建文件。
Birney和Goldman設(shè)想DNA取代其他長期存檔方法,例如磁帶驅(qū)動(dòng)器。與其他易受技術(shù)過時(shí)影響的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)不同,“編寫和閱讀DNA的方法將長期存在,” 哥本哈根大學(xué)的分子生物學(xué)家Thomas Bentin說。沒有參與這項(xiàng)研究的Bentin將DNA信息存儲(chǔ)與軟盤的短暫鼎盛時(shí)期進(jìn)行了比較 - 僅在幾十年前引入并且已經(jīng)接近不可讀。盡管合成和解碼DNA目前仍然很昂貴,但存儲(chǔ)起來很便宜。因此,對(duì)于打算存儲(chǔ)數(shù)百年甚至數(shù)千年的數(shù)據(jù),Goldman和Birney認(rèn)為DNA實(shí)際上可能比磁帶更便宜。
此外,從當(dāng)前研究中編碼的739千字節(jié)擴(kuò)展還有很大的潛力。研究人員計(jì)算出1克DNA可以容納超過200萬兆字節(jié)的信息,盡管這種規(guī)模的編碼信息將進(jìn)一步降低合成錯(cuò)誤率,加利福尼亞大學(xué)河濱分校的生物工程師Mihri Ozkan說,他沒有參與在研究中。
然而,盡管面臨挑戰(zhàn),但目前的進(jìn)展“絕對(duì)值得關(guān)注” ,斯坦福大學(xué)的合成生物學(xué)家Drew Endy沒有參與這項(xiàng)研究,他在給The Scientist的一封電子郵件中寫道。“它應(yīng)該發(fā)展成為檔案數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的新選擇,其中DNA不被認(rèn)為是一種生物分子,而是一種簡單的非生命數(shù)據(jù)存儲(chǔ)磁帶。”
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