這種存儲嚇死人，指尖大小晶元能拷貝440億份《魔戒》

相比於DNA存儲，快閃記憶體、硬碟、軟盤、光碟機、錄影帶這些存儲工具簡直弱爆了。

當計算機工程師宣稱自己取得了驚人突破，可以將所佔空間巨大的音樂庫和電影庫存儲在手掌大小的設備中時，生物遺傳學家馬上潑來一盆冷水：跟自然界的能力比起來，這實在是太小兒科了。

沒錯，論存儲密度，沒有什麼設備能跟DNA相提並論——整個有機體的遺傳信息全部存儲在肉眼都看不見的細胞之內。於是，計算機科學家們開始研究分子生物學，試圖借鑒DNA的「魔力」開創新一代的數字存儲技術。

信息大爆炸的今天，新的APP、自拍照、博文、小視頻等更新頻繁的數字信息讓脆弱的存儲設備不堪重負。但好消息是，DNA的存儲密度理論上可以達到每克455EB（1EB=1024PB=1048576TB）。也就是說，指尖大小的晶元可以拷貝440億份加長版《魔戒》三部曲（需要1.64億年才能把所有這些電影看完）。

2012年，哈佛大學和麻省理工學院的著名遺傳學家George Church首次用DNA來存儲數字信息，並將研究成果發表在了《Science》上。Church將自己的一本書的電子數據編輯成DNA形式（650KB），他在《科爾伯特報告》（The Colbert Report）上向人們展示了一張薄紙，僅僅上面的一個斑點就存儲了數百萬個該書籍的備份。

George Church

當時，George Church 和同事就已經試圖證明，數字信息可以被編輯成DNA形式。隨後，為了驗證 George Church 的理論，很多工程師和生物學家團隊對該理念進行擴展，將更多數據編輯成DNA。

2013 年，歐洲生物信息研究所（European Bioinformatics Institute，EBI）的團隊稱，他們將739KB的數據文件編輯成了 DNA 鏈，這一大小超過了 George Church 的電子書。

2016 年 7 月，微軟與華盛頓大學的研究團隊刷新了記錄——將200MB數據編輯成 DNA 鏈。

如今，DNA數據存儲技術又更進一步。據不久前一篇《Science》論文表示，紐約基因組中心（New York Genome Center）和哥倫比亞大學的研究人員實現了

每克DNA數據鏈存儲214PB的數據密度。

George Church沒有參與這項最新研究，但他之前通過計算證明了達到這一密度是可行的。「這是一次巨大的飛躍」，George Church激動地說，「他們將理論轉化成了現實。」

從DVDs 到DNA的巨大跨越

該項新研究的第一作者Yaniv Erlich表示，0 和 1 是最基本的數據表達形式，無論計算機程序還是視頻電影，它們都是由 0 和 1 組成的字元串。

Yaniv Erlich

同樣，DNA由A（Adenine，腺嘌呤），C（Cytosine，胞嘧啶），G（Guanine，鳥嘌呤），T（Thymine，胸腺嘧啶）四個基本單元組成。

為了將數據轉換成DNA，Erlich團隊的工作就是將 0 和 1 映射成A、C、G、T。然後，在將相應的DNA序列發送給Twist Bioscience之類的DNA合成公司合成DNA數據鏈，並將其放入盛有液體且只有手指一半大小的玻璃瓶中。值得注意的是，裡面是可是真正DNA鏈。

在進行數據訪問時，需要重新把DNA轉換為二進位，即最基本的0和1的形式。

利用這種方法，研究人員將以下測試數據編輯成DNA形式後又將其復原：

計算機操作系統

1895年的法國電影《火車到站》

一張50美元的亞馬遜禮品卡

一個計算機病毒

先驅者號探測器上的鍍金鋁板

資訊理論創始人克勞德·香農（Claude Shannon）在1948年的一份研究報告

為了測試數據，Erlich還用編碼的操作系統玩了把遊戲。值得注意的是，存儲數據的DNA材料並不是從動物或植物中提取的。「DNA數據鏈在此是一種硬體，」Erlich在一份郵件中寫道。「它並非源於生物體，其合成、複製、和測序完全是化學過程。」

信息的索引

聽起來，DNA存儲就是把 0 和 1 的數據串編碼成A，C，T，G序列，貌似很簡單，但實際過程要複雜得多。首先，並不是所有的DNA序列都有很強的存儲能力。由相同核苷酸組成的序列，比如AAAAAAAAAAAA——它不但結構不穩定，而且很難準確地讀取數據。

另外，在排序與檢索過程中，有些DNA分子會失去活性，這就有丟失重要數據的風險。

為了解決這些問題，Erlich應用了計算機領域常用的噴泉碼來索引代碼，而不是直接使用代碼本身，這就使得DNA數據丟失的風險大幅降低。而 DNA 噴泉碼演算法的索引能力更強，也就意味著即便有少部分 DNA 數據鏈丟失，最終還是可以解碼數據。

噴泉碼是將一些數據，例如文件，轉化為一個有效的任意數量的編碼包的方法，這樣只要你接收到稍大於信源數據包數量的編碼包的子集，就可以恢複信源數據。換句話說，你創建了一個編碼數據的「噴泉」，只要接收端接收到足夠的「水滴」，就可以恢復文件，而不管它們接到哪一個遺漏了哪一個。

研究人員正在將一小部電影存入DNA

此外，為了保證數據還原的可靠性，Erlich想進一步驗證，DNA數據鏈能否準確無誤地複製。

DNA測序過程中需要將部分分子從樣本中剔除。為了保留這部分數據，科學家必須對其進行備份。比如，Erlich保留了25個初始備份，然後又對副本備份，對副本的副本進行備份，如此一共進行了9重備份。值得注意的是，即便是第9重備份，「我們也能完美地檢索信息，數據結構很穩定。」

DNA計算機到來？

儘管DNA存儲取得了很大進展，但把DNA作為手機和電腦的存儲設備還為時尚早。「DNA存儲還處於發展初期，仍屬於基礎科學，」Erlich說。「我們不指望人們很快就能買到DNA硬碟。」

對此，George Church表示，它更直接是用途是作為存檔工具，比如，可以把視頻監控等不經常訪問的數據用這種方法來存檔。

相比於傳統硬碟，DNA不但存儲密度大，而且無需散熱。而且，DNA的數據存儲時間要比其他存儲工具長得多。既然古人類學家能對尼安德特人等古人類進行基因測序，Erlich也絲毫不用擔心DNA的數據存儲壽命。

微軟的研究員們則認為，DNA存儲有更廣泛的應用前景。微軟的Karin Strauss和華盛頓大學的Luis Ceze在郵件中表示：「對於需要長期存儲海量數據公司或個人，DNA存儲都是不錯選擇」。

比如，醫院需要長期存儲病人的臨床信息，研究機構的研究項目也有大量數據要保存，而新興的虛擬現實行業也要存儲內存很大的視頻文件。另外，隨著便攜攝像機的普及，越來越多的人會選擇把個人視頻上傳雲端，這也將仰仗DNA存儲。

但在目前，DNA的存儲成本極其所耗費的時間卻讓人望而卻步。Erlich團隊合成DNA數據花費了7000美元，讀取數據又花了2000美元。合成數據需要兩周時間，讀取數據也需要一天時間。

但這並不意味著，DNA存儲不會應用到人們的日常生活中。George Church的團隊就在與Technicolor公司合作，利用該技術保存了很多公司的老電影。

Technicolor公司的DNA存儲

在2016年的一次媒體參觀活動上，Technicolor研發與創新副總裁Jean Bolot向人們展示了一小瓶數據DNA，裡面有100萬個1902年的法國無聲電影《月球旅行記》（A Trip to the Moon）的備份。

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