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【DNA】DNA存储，拯救人类数据危机的良方？( 二 )


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看来人类文明的拯救方案有了 ， 但DNA存储到底是如何做到的呢？
众所周知 ， DNA由四种含氮碱基——A、T、C和G互补配对构成 ， 科学家将腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）分别赋予二进制值（A和C=0  ， G和T=1） ， 随后通过微流体芯片对基因序列进行合成 ， 从而使该序列的位置与相关数据集相匹配 。 这样就把这些碱基对编码成1和0的组合 ， 就可以用DNA的序列信息来表达二进制的语言了 。
当每次将二进制语言写进DNA序列当中 ， 就可以把“DNA硬盘”放到低温环境中进行保存 。 而需要读取数据的时候 ， 只用对目标DNA进行测序 ， 将碱基对还原成二进制编码 ， 再完成解码 ， 就可以还原为我们常见的数据了 。
原理是非常简单 ， 但科学家是如何做到的呢？这就要简单回顾下DNA存储技术的发展史了 。
DNA存储是如何一步步发展到现在的？
最先想到这一方法的是一位艺术家Joe Davis ， 他在1988年与哈佛研究人员合作 ， 把一个取名为Microvenus（小维纳斯）的7*5像素矩阵的照片 ， 转化成35个碱基的DNA序列 ， 插入到大肠杆菌里 ， 第一次把不属于自然演化的信息写进了在DNA当中 。
【DNA】DNA存储，拯救人类数据危机的良方？
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（Microvenus代表女性和地球）
2010年 ， 美国合成生物学家克雷格?文特尔（(Craig Venter）带领研究团队化学合成了整个支原体基因组DNA ， 取名为“辛西娅（Synthia）” ， 并以“自娱自乐”的方式将课题研究者的名字、研究所网址和爱尔兰诗人詹姆斯的诗句等信息编码进新合成的DNA中 。
2011年 ， 哈佛大学的合成生物学家乔治·丘奇（George Church）和加州大学的瑟里·库苏里(Sriram Kosuri)领导的团队以及约翰?霍普金斯大学的基因组专家高原（Yuan Gao）首次进行了概念证明性实验 。 团队使用短DNA片段编码了一本丘奇的659KB数据的书 。
2013年 ， 欧洲生物信息研究所（EBI）的尼克?高德曼（Nick Goldman）和他的研究团队也成功地将包括莎士比亚十四行诗和马丁?路德?金“我有一个梦想”的演讲片段、一篇沃森和克里克DNA双螺旋论文副本等5个文件编写进了DNA片段里当中 。 739KB数据成为当时最大的DNA存储文件 。
2016年 ， 微软和华盛顿大学又利用DNA存储技术完成了约200MB数据的存储 ， 成为DNA信息存储技术的一个飞跃 。
2017年7月 ， 《自然》杂志发表了哈佛大学医学院的赛斯?希普曼(Seth Shipman)和乔治·丘奇合作的一项活体DNA存储的研究 。 他们把一部130年前的黑白电影《奔跑中的马》存在了大肠杆菌的DNA上 。 虽然大肠杆菌体内有一段“奇怪的DNA” ， 不仅能够正常生存 ， 还可以正常遗传 ， 每次繁衍都是一次数据复制 。 而且存储在基因组中的电影 ， 在每一代大肠杆菌中也都完整无缺地保存下来了 。
【DNA】DNA存储，拯救人类数据危机的良方？
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但因为细胞的复制、分裂以及死亡 ， 会造成信息出错的风险 ， 未来数据安全 ， 大多数情况下存储信息的DNA都是以DNA干粉的形式存在 ， 活体细胞存储的研究转向合成DNA存储 。
同一年 ， 哥伦比亚大学和纽约基因组中心在《科学》杂志发表了一项称为“DNA喷泉”算法高效的DNA存储策略 。 这项技术展示了最大化利用DNA的存储潜力 ， 成功将海量信息压缩至DNA的四个碱基 ， 即为每个DNA编码1.6比特（bits）的数据 ， 比之前多存储了60%的信息 ， 逼近理论极限（1.8比特） 。 该方法能够将215PB数据存储在一克DNA中 ， 相当于2.2亿部电影 。
2018年 ， 爱尔兰沃特福德理工学院（WIT）研究人员开发出一种新型DNA存储方法 ， 可在1克大肠杆菌DNA中存储1ZB的数据 。
2019年 ， 丘奇团队又在《科学》期刊上发表了一项实验结果 。 他们将丘奇的一本大约5.34万个单词《再生：合成生物学将如何改变未来的自然和自己》的书 ， 以及11张图片和一段Java程序 ， 编码进不到亿万分之一克的DNA微芯片 ， 再成功利用 DNA 测序来阅读这本书 。


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