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硬盤過時是遲早的事,但用 DNA 來存儲數據是不是有點太科幻了_DNA:DNADNA價格

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1878年6月19日,英國著名攝影師埃德沃德·邁布里奇把12臺雙鏡頭照相機列成一排,拍攝一名騎手騎馬快速奔跑的場景。最初的目的是想解決困擾了畫家和藝術家幾個世紀的難題——馬在奔跑時四條腿是否可以同時離地。

明尼蘇達大學的數學教授兼數字技術專家AndrewOdlyzko稱這項新研究「非常了不起」。

「想象一下,我們可以把秘密交給位于我們腸道或者皮膚上的細菌,這應該是最安全的保密方式了,」他說道。

讓細菌「監控」神經元

此前,科學家已經成功將存入了DNA中。2012年,Church將自己的書的電子數據編輯成DNA形式導入了細菌體內,并通過細菌繁殖得到了900億份復制品。莎士比亞的十四行詩《Regenesis》

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「這應該是出版史上的最高紀錄了,」Church在采訪中說道。

HarvardUniversity

在這些研究的基礎上,Church和其他科學家開始醞釀一個更大膽的想法——能否將改造過的細菌植入人體細胞,記錄下細胞的一舉一動。換句話說,就是像拍電影一樣錄下每個細胞的生活。

當人生病時,醫生可以將這些細菌提取出來,觀察存儲在DNA中的錄像。Church說,這就像飛機失事后人們可以通過黑匣子知道當時發生的情況一樣。

大腦包含約860億個神經元,然而要想知道這些神經細胞的日常活動卻是一件非常困難的事。

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1)不需要購買帶有大量 PCI 插槽的昂貴主板;2)不需要高級 GPU;3)硬盤挖礦的軟件安裝和配置一般比較簡單;4)硬盤不需要進行大量的圖形處理,因此能量消耗很小,節省電力成本;5)硬盤運行時熱量小,無需使用風扇來降低設備溫度;6)硬盤挖礦整個過程簡單,新手容易上手。總體來說,硬盤挖礦減少了配置成本,節省了電力成本,降低了挖礦門檻。[2020/4/18]

「目前,我們可以用電極來觀察神經元的活動,但是一個電極只能監控一個神經細胞。人的腦子裝的下860億個神經元,可裝不下860個電極啊,」Church說道。不過,經過改造的細菌或許是理想的「偵察兵」。

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科學家的想法是,通過基因工程將細菌改造成「記錄裝置」,然后讓這些細菌隨著血液到達大腦,記錄大腦神經元的活動。隨后科學家可將這些細菌提取出來,通過其DNA就能知道神經元在這段時間的活動狀態。

Church和他的同事已經在過去的研究中展示了細菌能記錄細胞中被標記的DNA。

存儲能力甩硬盤幾條街的DNA

半個世紀前,著名物理學家理查德·費曼就提出了用DNA來存儲信息這一超前想法。很久之后分子生物學革命才興起,幾十年后才有科學家成功地做到了給DNA測序。

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「基因不僅僅是文字信息,它也能做一些自己的事,」費曼在1959年的一次中說道。演講

「想象一下,我們也能做出一件非常小的東西,讓它做我們想做的事,」他激動地說道。

「費曼博士的想法意義深遠——它給我們提供了一個方向,」南加州大學的數學家LeonardAdleman說道。他還是「RSA」——使用最廣泛的一種公鑰加密算法——的創建者之一。

1994年,Adleman他已經成功將數據存入了DNA中,并把DNA當作電腦解決了一個數學問題。他堅信,DNA的存儲能力是同樣大小光盤的一萬億倍還不止。宣布

數據存儲是一個越來越讓人頭疼的問題。在這個知識爆炸的年代,每天產生的數據數量驚人,因而儲存數據的技術一不小心就過時了,比如被淘汰掉的軟盤。

但DNA永遠都不會過時。「數十億年來,生物都在用DNA存儲信息,而且信息都保存完整,」Adleman說道。他注意到,現代的細菌仍然能從幾百萬年前的昆蟲琥珀中讀取到基因信息。這是因為DNA很容易保存,只需放在冷、暗、干燥處,沒有恒溫恒濕的苛刻要求。它還非常穩定,存放上百萬年都沒問題。

除此之外,DNA合成測序,使用的設備和方法都是生物學研究的常規工具。這使得DNA的存儲有效地避開了因設備技術更新換代而起的許多麻煩。所以DNA是數碼信息長期存儲的理想材料,而且存儲的時間越長,越能顯出優越性。

DNA真正取代硬盤還要多久?

DNA作為存儲介質,也有顯著的弱點。首先是成本太高。歐洲生物信息研究所的高德曼團隊的實驗費用高得驚人:每一兆字節的存儲費用是12,400美元,外加測序解讀220美元。這是常規磁帶存寫費用的一百多萬倍。

第二,信息讀寫非常耗時。數碼信息編入DNA目前只能由專門的DNA合成設備來做;而從DNA中讀取信息,重組復原為數碼文件也很費時。高德曼團隊用了整整兩個星期,才完成五個文件739千字節的復原。

第三,DNA介質不能重復使用,寫錄完畢,一般來說不能修改、不能再用。可是,我們已經習慣了常規存儲,如硬盤和U盤的便利。幾十塊錢的U盤,插入電腦,就能周而復始地存取文檔。

這些「簡單」的基本功能,DNA介質卻難以勝任。

Nature

「人們的本能反應是,DNA分子那么渺小,怎么能儲存海量信息呢?」Birney博士說到。

「盡管這些想法很超前,但我們起碼知道,這些生物技術誕生的時間肯定前人預測的要早,」Church說到。

他舉出了人類基因組測序的例子。此前,一些比較樂觀的科學家預測這將花費至少60年的時間,每組基因測序的費用將高達1000美元。而于1990年正式啟動的「人類基因組計劃」只用了十年時間,花費30億美元。

DNA存儲著生物體的奧秘,是個非常大的「數據盤」。當克服了存儲和讀取上的難題,也許未來某一天,我們所有的硬盤、U盤、網盤都可以丟到一邊。用一塊硬幣大小的DNA,就能存儲我們一生需要的數據了。

參考資料:TheNewYorkTimes

頭圖來源:Geenius

陳君子

Tags:DNADNA價格DNA幣

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