最新研究表示 DNA 將成為數據儲存的未來

(圖:Science Photos Gallery)

隨著科技與時代的進步,人類產生及使用的數據量急速增長,急需一個容量和耐用性兼備的存儲技術。而最近,兩名科學家利用大自然的遺傳訊息存儲工具—DNA—成功存儲電腦數據。

這篇發表於《科學》期刊的論文聲稱,由於 DNA 可以用極小的體積存儲海量數據,又不隨時間衰退,將成為數據存儲的未來。

DNA 數據儲存

這項研究由 Yaniv Erlich 和 Dina Zielinski 完成。他們利用了七萬二千條 DNA 鏈,每條鏈包含 200 個鹼基對,儲存了六分文件,包括一個完整的電腦作業系統、一部 1895 年的法國電影、一張亞馬遜禮物卡、一個電腦病毒以及一份完整的研究論文。

研究人員首先將文件的二進位訊息,即「位元」(bit)序列轉化為 DNA 核苷酸序列,然後合成 DNA,儲存在試管中。

將數據打包(pack)時,研究人員利用了編碼理論中「噴泉碼」(fountain code)的概念,設計了「DNA 噴泉」。這是研究最具挑戰性的部分,如何以最有效率的方法將數據儲存在 DNA 內,而「DNA 噴泉」正正解決了這個問題。

讀取存儲在 DNA 內的訊息時,科學家將上述過程倒序進行,先完成 DNA 測序,然後用軟體將 DNA 序列轉回二進位訊息,最後重新讀取文件。科學家發現,讀取的數據與原本的數據一模一樣,完全零錯誤。

研究員表示,一克的 DNA 便等同整整一個數據庫的容量(圖:EdgeConneX)

納須彌於芥子,容世界於點滴

從紙張到磁膜、微型晶元,人類的存儲技術不斷進步。但現在, DNA 為我們提供了更好的選擇。根據研究人員 Yaniv Erlich 的解釋,首先,DNA 體積小,存儲密度高。只需 4 克的 DNA 就可存儲全世界一年的數據量,點滴間已包含整個世界。研究中,每克 DNA 的存儲容量可高達 215 PB(Petabyte,10^15)!

其次,DNA 的耐用性極高,可維持 100 多年之久,遠超傳統存儲媒介。像上世紀 90 年代的唱片,現在聆聽時,已可以觀察到明顯的數據損壞。

Erlich 認為,傳統存儲設備很容易過時。上一代的 8mm 磁帶到了今天幾乎毫無用處。而 DNA 則不同,攜帶著生物 30 億年來繁衍生息的遺傳訊息,人類不可能失去識別 DNA 的能力。如果真有這麼一天,那可不僅僅是數據存儲的問題了。

DNA 存儲時代有多遠?

既然 DNA 存儲擁有諸多優點,這項技術究竟什麼時候才能投入使用呢?Erlich 對此很樂觀:「我猜十年之後就可以。」

雖然 DNA 儲存技術目前還處於早期研究階段,但硬碟等磁儲存技術,亦經過了多年研究才獲得大規模採用。

總而言之,Yaniv Erlich 和 Dina Zielinski 的研究拓展了未來生物電腦的可能性。Erlich 說,科學界中通常都是利用電腦解決分子生物學的問題,這項研究恰好相反,成功利用分子生物學工具解決了電腦數據存儲的問題。

 

參考資料:

Erlich, Y., & Zielinski, D. (2017). DNA Fountain enables a robust and efficient storage architecture. Science, 355(6328), 950-954.

舒超
明日科學編輯,科大生命科學學院研究生,目前努力畢業中。做實驗之餘,喜歡讀書寫字,學習語言。鐘情中國古典文學。希望有朝一日走遍天下,增廣見聞。