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DNA ― 最终极的资讯储存装置?

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现有的随身资讯储存装置都有两项共同问题:一、储存空间有限;二、储存时间有限。就本质而言,DNA 也是储存基因资讯的一种媒介,而且比起现在的硅质内存,DNA 具有储存空间非常大 (人体细胞核的体积约 500 立方微米,其中记录约 1.5 GB 的资讯) 以及储存时间非常久 (研究人员在 2016 年成功从常温保存的人骨化石取得 DNA 进行定序,目前初步估计该化石至少有 43 万年的历史)。因此微软、Google 等资讯公司近期开始投入许多资源探索 DNA 作为储存媒介的可能性,目前研究进展相当顺利 …

最先提出以 DNA 分子储存资讯这个概念的人,是前苏联电波-电子学家 Mikhail Neiman。Neiman 教授在 1964 年率先提出可用 DNA 片段储存文字或电波资讯,而将 DNA 定序即可解读储存的讯息。不过这项概念直到 2012 年才由美国哈佛大学知名的遗传分子生物学家 Dr. George Church 实现。Church 教授及其研究团队将一本 53,400 字的英文书、11 张数位化的 JPEG 图、以及一项 JAVA 程式储存在 DNA 中,并发现一立方公厘的 DNA 大约可储存 5.5 PB 的资讯 (相当于 5,500 TB),非常惊人 (注 1)。

而在 2013 年,欧洲的生物资讯研究所 (European Bioinformatics Institute, EBI) 也成功将许多书籍、数位录音档、和照片储存在尘埃大小的 DNA 分子,并且达到 99.99-100% 的解读准确率 (注 2)。截至 2015 年,研究人员已发展出可近 100% 正确储存和解读 DNA 资讯的方法,并估计可让这样的储存媒介在 -18°C 的条件保存 100 万年,常温下保存两千年。现在主要的限制只是在于价格:合成可储存 1 MB 资讯的 DNA 目前要价 12,000 美元左右。若能将这个价格压缩到每 MB 约 500 美元左右,美国国会图书馆、维基百科、以及 Google 都表示愿意开始将收藏的资讯备份在 DNA,以防万一。许多著名分子生物学家认为 DNA 坚韧的特性很适合作为全人类智慧的储存媒介,也许可在世界发生核灾或重大气候变迁后保存人类累积的智慧,以供下一代崛起的智慧生物运用。

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延伸阅读:什么是“垃圾DNA”?

DNA 可能取代硅晶成为随身储存装置的主流内存?

以往 DNA 作为储存装置最大的障碍在于:要解读其中的资讯就必须将整段 DNA 进行定序,无法随意选择检视特定片段。不过这项障碍在 2015-2016 年已陆续被美国伊利诺大学香槟分校 (注 3) 和美国华盛顿大学与微软的联合团队 (注 4) 突破,现在 DNA 内存已可设定各个存入档案的识别序列,而且可以从任何位置进行资讯储存、判读、或修改,与传统硅晶内存的差异愈来愈小。现在微软更已投入数千万美金开发 DNA 作为长期文献保存的媒介,以图书馆、资料处理中心、政府单位、金融机构、和业务量庞大的律师及会计师事务所为首要销售对象。不过相关技术一旦成熟,也将可运用在民生型的随身碟、记忆卡、行动硬盘等等,届时可能以现在一个 USB 大小的 DNA 储存装置,就能放置一生都看不完的影片、一生都听不完的音乐、甚至可能将一生的每分每秒用分辨率最高的 16K 影片录制后存入,空间都还绰绰有余。

DNA 可能存在生命意义的密码?

既然 DNA 可以作为基因讯息以外的储存装置,并在数万甚至数十万年后仍可被解读,许多分子生物学家和遗传学家很早就意识到一个奇妙的可能性:若世上真的有造物主,或远古时代有更高阶的外星文明曾经早访地球,那么他们选择留给后世的线索,或许会藏在生物体的 DNA 里。有两种现象为这项论点提供佐证:一、“生命”似乎围绕在将基因体的 DNA 序列复制和传承下去,显示这种大量耗能的活动非常重要,似乎代表序列隐藏必须不断传承下去的重要讯息。二、各种生物的全基因体定序陆续完成后,研究人员发现 90% 的序列是所谓的“垃圾 DNA”(junk DNA),也就是既无基因,也没有明显基因调控功能的 DNA。

更特别的是,尽管 DNA 的复制非常耗能,但垃圾 DNA 序列包含一些超高度保留性序列 (ultraconserved elements),在生物演化的过程中几乎没有发生变异。自从人类在 1977 年完成第一个基因体 (ΦX174 噬菌体) 的定序以来,遗传学家即努力针对 DNA 序列进行各种排列组合和另类“解码”,企图找到特殊讯息或密码潜藏其中。而虽然目前仍徒劳无功,但是随着次世代定序技术和电脑演算能力持续进展,或许有一天人类也可以发掘DNA序列中的密码,或是可以将一些重要资讯设计到特定生物体的 DNA 序列,永续传承 … …

延伸阅读:天生自私 ? 缺乏核糖体或许是主因

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参考文献:
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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