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DNA ― 最終極的資訊儲存裝置?

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現有的隨身資訊儲存裝置都有兩項共同問題:一、儲存空間有限;二、儲存時間有限。就本質而言,DNA 也是儲存基因資訊的一種媒介,而且比起現在的矽質記憶體,DNA 具有儲存空間非常大 (人體細胞核的體積約 500 立方微米,其中記錄約 1.5 GB 的資訊) 以及儲存時間非常久 (研究人員在 2016 年成功從常溫保存的人骨化石取得 DNA 進行定序,目前初步估計該化石至少有 43 萬年的歷史)。因此微軟、Google 等資訊公司近期開始投入許多資源探索 DNA 作為儲存媒介的可能性,目前研究進展相當順利 …

最先提出以 DNA 分子儲存資訊這個概念的人,是前蘇聯電波-電子學家 Mikhail Neiman。Neiman 教授在 1964 年率先提出可用 DNA 片段儲存文字或電波資訊,而將 DNA 定序即可解讀儲存的訊息。不過這項概念直到 2012 年才由美國哈佛大學知名的遺傳分子生物學家 Dr. George Church 實現。Church 教授及其研究團隊將一本 53,400 字的英文書、11 張數位化的 JPEG 圖、以及一項 JAVA 程式儲存在 DNA 中,並發現一立方公釐的 DNA 大約可儲存 5.5 PB 的資訊 (相當於 5,500 TB),非常驚人 (註 1)。

而在 2013 年,歐洲的生物資訊研究所 (European Bioinformatics Institute, EBI) 也成功將許多書籍、數位錄音檔、和照片儲存在塵埃大小的 DNA 分子,並且達到 99.99-100% 的解讀準確率 (註 2)。截至 2015 年,研究人員已發展出可近 100% 正確儲存和解讀 DNA 資訊的方法,並估計可讓這樣的儲存媒介在 -18°C 的條件保存 100 萬年,常溫下保存兩千年。現在主要的限制只是在於價格:合成可儲存 1 MB 資訊的 DNA 目前要價 12,000 美元左右。若能將這個價格壓縮到每 MB 約 500 美元左右,美國國會圖書館、維基百科、以及 Google 都表示願意開始將收藏的資訊備份在 DNA,以防萬一。許多著名分子生物學家認為 DNA 堅韌的特性很適合作為全人類智慧的儲存媒介,也許可在世界發生核災或重大氣候變遷後保存人類累積的智慧,以供下一代崛起的智慧生物運用。

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延伸閱讀:什麼是「垃圾DNA」?

DNA 可能取代矽晶成為隨身儲存裝置的主流記憶體?

以往 DNA 作為儲存裝置最大的障礙在於:要解讀其中的資訊就必須將整段 DNA 進行定序,無法隨意選擇檢視特定片段。不過這項障礙在 2015-2016 年已陸續被美國伊利諾大學香檳分校 (註 3) 和美國華盛頓大學與微軟的聯合團隊 (註 4) 突破,現在 DNA 記憶體已可設定各個存入檔案的識別序列,而且可以從任何位置進行資訊儲存、判讀、或修改,與傳統矽晶記憶體的差異愈來愈小。現在微軟更已投入數千萬美金開發 DNA 作為長期文獻保存的媒介,以圖書館、資料處理中心、政府單位、金融機構、和業務量龐大的律師及會計師事務所為首要銷售對象。不過相關技術一旦成熟,也將可運用在民生型的隨身碟、記憶卡、行動硬碟等等,屆時可能以現在一個 USB 大小的 DNA 儲存裝置,就能放置一生都看不完的影片、一生都聽不完的音樂、甚至可能將一生的每分每秒用解析度最高的 16K 影片錄製後存入,空間都還綽綽有餘。

DNA 可能存在生命意義的密碼?

既然 DNA 可以作為基因訊息以外的儲存裝置,並在數萬甚至數十萬年後仍可被解讀,許多分子生物學家和遺傳學家很早就意識到一個奇妙的可能性:若世上真的有造物主,或遠古時代有更高階的外星文明曾經早訪地球,那麼他們選擇留給後世的線索,或許會藏在生物體的 DNA 裡。有兩種現象為這項論點提供佐證:一、「生命」似乎圍繞在將基因體的 DNA 序列複製和傳承下去,顯示這種大量耗能的活動非常重要,似乎代表序列隱藏必須不斷傳承下去的重要訊息。二、各種生物的全基因體定序陸續完成後,研究人員發現 90% 的序列是所謂的「垃圾 DNA」(junk DNA),也就是既無基因,也沒有明顯基因調控功能的 DNA。

更特別的是,儘管 DNA 的複製非常耗能,但垃圾 DNA 序列包含一些超高度保留性序列 (ultraconserved elements),在生物演化的過程中幾乎沒有發生變異。自從人類在 1977 年完成第一個基因體 (ΦX174 噬菌體) 的定序以來,遺傳學家即努力針對 DNA 序列進行各種排列組合和另類「解碼」,企圖找到特殊訊息或密碼潛藏其中。而雖然目前仍徒勞無功,但是隨著次世代定序技術和電腦演算能力持續進展,或許有一天人類也可以發掘DNA序列中的密碼,或是可以將一些重要資訊設計到特定生物體的 DNA 序列,永續傳承 … …

延伸閱讀:天生自私 ? 缺乏核糖體或許是主因

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參考文獻:
1. Church GM et al. Science 2012; 337:1628.
2. Goldman N et al. Nature 2013; 494:77-80.
3. Yazdi SM et al. Sci Rep 2015; 5:14138.
4. Bornholt J et al. 2016. http://dl.acm.org/citation.cfm?doid=2872362.2872397

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