将数据存到DNA里！全世界的信息只有1公斤重

　　数据不仅可以存在硬盘里，还可以存在生物的DNA里。1公斤重的DNA，就可以存下全世界的数据信息。
　　科学家将HelloWorld翻译成碱基语言，储存到大肠杆菌的DNA中。改编自ChemistryWorld
　　作者汤波分子生物学博士
　　大数据时代，我们在网络上每一个动作，比如网上冲浪、观看视频，甚至跑步、走路等日常行为，每分每秒都在产生大量数据。它们如一条条河流，汇聚成数据的汪洋大海。
　　如此大量的信息如何存储？珍贵的数字记忆要如何长久可靠地保存？科学家们想到了一种方法，将数据写入活细菌的DNA中！
　　最近，美国哥伦比亚大学的研究人员通过改变环境电压，引导基因魔剪CRISPRCas系统，将helloworld翻译成碱基语言，录入大肠杆菌的DNA中。在繁衍80代以后，这些大肠杆菌体内储存的数据仍然基本完好无损。
　　相关研究发表在1月11日的《自然化学生物学》杂志。
　　数据时代，存储的革新
　　在地球生命系统中，DNA可谓无处不在。自然将生命的遗传信息存储在DNA中，人类也可以将数据信息存储其中。
　　计算机的二进制语言只需要0和1两个符号，即可编码所有信息。生命的本质也是一种语言，那就是由A、T、C、G四种碱基串联而成的DNA，四种碱基的顺序蕴藏着生命的信息。
　　早在上世纪80年代末，就有人提出，或许可以将计算机的二进制数字语言转换成DNA的四种碱基语言，从而将数据信息存储在DNA上。读取时只要反向进行DNA测序即可。
　　数据信息可以存储在DNA中，也可以反过来从DNA中读取数据信息。来自网络
　　相比于人类津津乐道的硅，DNA简直是数据存储的理想载体。首先，DNA的存储密度非常大。如果我们能够像大肠杆菌那样包装DNA，那么全世界的数据信息都可以储存在1公斤重、只占粉笔盒大小空间的一堆DNA中。
　　其次，一般物理存储设备使用寿命往往不到10年，DNA则可将遗传信息完整保存100年以上；如果是在零下18以下的低温环境中，甚至可保存上万年、数十万年。
　　第三，DNA存储过程耗能极少。要存储同样大小的信息，DNA的耗能量只相当于闪盘的亿分之一。
　　人工合成DNA带来希望
　　在实际操作中，二进制数字语言要如何转换成DNA的四种碱基语言呢？2012年，哈佛大学遗传学家乔治丘奇团队确立的规则是，用碱基A、C编码二进制的0，G、T编码二进制的1。
　　经过简单翻译，一本包含大约5。34万个单词的书籍、11张JPG图片、一段简短的计算机程序，全部被编码进不到亿万分之一克的DNA微芯片中。这些文件大小相当于659千字节。之后，研究人员利用DNA测序技术成功阅读了这本书，虽然略有瑕疵地发现了22个错误。
　　几个月后，欧洲生物信息研究所采用另一种策略，同样将大小为739千字节的文件写入人工合成DNA中，读取正确率接近100。
　　这两项研究让人们看到了DNA存储技术的希望，也开启了研发热潮。之后，存储数据的大小不断突破上限，从22兆字节，到200兆字节，再到维基百科所有16GB的数据。
　　DNA数据存储设备。Takahashietal，2019
　　不过，人工合成DNA数据存储技术要实现商业化应用，还有一些重大问题要解决。
　　一是成本过高，目前人工合成存储1兆字节数据的DNA，需要3500美元，解码过程还需要额外的1000美元。二是无论存储还是读取过程都需要专业设备，个人使用极不方便。三是DNA保存需要低温环境，否则长时间容易发生DNA降解，导致数据失真或丢失。
　　活细菌蕴藏着新可能
　　既然人工合成DNA有缺陷，那能不能借用活细菌的DNA呢？比如大肠杆菌，在实验室只需要少量的营养物质就能茁壮成长，成本应该也会低很多。
　　事实上，早在2017年，丘奇团队就开创性地利用基因魔剪CRISPRCas技术，将编码信息的DNA片段送入细菌体内。CRISPRCas系统可以对任何DNA序列进行精准修改，如将碱基A替换成碱基G，或者删除、插入、替换一段特异的DNA序列，就像我们使用Word软件编辑文字一样。
　　实验中，丘奇团队将一些黑白图像和一张飞驰骏马动图编码为DNA序列，插入大肠杆菌的基因组中。在大肠杆菌经过多代繁殖后，研究人员仍然能够还原动图信息，正确率达90以上。
　　左边是飞驰骏马动图的原图，右边是将该动图存储在活细菌中，并经过多代繁殖后恢复的动图。SETHSHIPMAN
　　这一次，哥伦比亚大学的研究人员则进一步发展了该方法。他们用电化学方法调控CRISPR系统看是否行使功能。需要存储的二进制信息先被转换为DNA序列，并插入环状质粒（一种稳定的DNA环），然后随质粒转入大肠杆菌体内。
　　通过改变化学试剂的浓度，就可以改变细菌周围的电压，这时一些特定的环状质粒拷贝数会显著增加。CRISPR系统感知到这种变化，并将质粒中的插入片段（目标DNA序列）写入细菌基因组，在生物体内实现数据信息的自动存储这就像为存储动作设置了一个开关。
　　通过感受周围电压变化，大肠杆菌将质粒中的目标片段自动写入基因组。SproetniekiStock
　　为了研究该方法的可行性，研究人员将helloworld录入大肠杆菌的DNA中，并测试它们繁衍80代后，所携带的信息是否仍然稳定，结果发现正确率达90以上。他们还将大肠杆菌混入土壤微生物中，对混合物进行测序，仍然可以恢复存储的信息。
　　信息编码为DNA序列，之后或者直接导入大肠杆菌中，或者先插入环状质粒，再转入大肠杆菌。MDPI
　　当然，对活细菌存储数字信息的研究目前才刚刚开始，还有很多技术难题需要攻克。不过，随着众多科学家和大型企业的加入，这些技术难题将被一一解决。相信在不远的将来，DNA数据存储设备将随处可见。
　　那时，我们或许可以通过解码存放在小试管里或活细菌中的一段DNA，来阅读一本科幻小说，听一段摇滚乐，观看一部大制作电影。甚至如今存储在电子设备中的任何文件，将来都能在DNA数据存储设备中找到。
　　编辑陈天真
　　责编高佩雯
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