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開一個腦洞：如果地球正在面臨一場馬上到來的毀滅性星際災害，人類又想盡可能地儲存地球的生命和文明，在現有條件下，該怎麼辦？
像大劉一樣讓地球停止自轉然後逃離太陽系，這恐怕來不及了。而如果像諾亞方舟一樣，一股腦把人類、動植物和人類的知識搬運到飛船上，現有的火箭運載能力，恐怕也裝不下這些物質的億萬分之一。
如果想盡可能多、盡可能長久地儲存地球的生物，我們隻需要把所有物種的DNA序列資訊收集打包，在飛船的低溫環境下便可以儲存長達數十萬年；而人類文明的資訊呢？我們知道這些資訊最高效的形式就是資料，而這些資料主要存儲在硬碟和CD光牒當中的。
想想這些硬碟儲存器的重量和資料密度，我們不得不再一次氣餒。更何況，可能飛船還沒逃出太陽系，這些資料就會因為硬碟或CD光牒的壽終正寝而丢失。
那麼DNA能不能當做硬碟來存儲資料資訊呢？答案是，可以的。
DNA絕對是這個星球上最古老的生命資訊存儲工具，同樣也可以作為資料資訊的存儲媒體，且存儲密度和使用壽命要遠遠超出現有的磁盤式的存儲方案。是以，DNA存儲，正在被人類視為資料存儲的未來，成為拯救人類資料存儲危機的最好的替代方案。
DNA存儲具體是怎麼做到的呢？現在發展到那一階段？商用的話還有哪些阻礙？這需要我們一一解答。
DNA存儲是如何工作的？
在了解DNA存儲是如何工作的之前，我們簡單了解下磁存儲和光存儲這兩種現有的解決方案的原理。
磁存儲的原理就是在金屬材料上塗上磁性媒體，在通電的情況下形成電磁效應，可以進行存儲和表達0101的二進制資訊。磁存儲的硬碟的優點是錄入和讀取的速度快，缺點是與體積重量相比，資料密度較低。經過60年發展，大概可以在3.5英寸大小的硬碟驅動上存儲3TB資料。
光存儲的原理是将數字編碼的視訊和音頻儲刻錄在CD光牒表面的凹槽中，再通過雷射将這些凹槽中的資料讀取出來，進行轉存或播放。目前，光存儲也正在經曆存儲的極限。因為想要存下更多的資料，凹槽就必須越小、越緊湊，要求雷射的精度也越高。目前，單層藍光CD光牒能夠儲存 25GB 以上的資訊，另一種紫外線雷射如果研制成功，其CD光牒容量可以達到500GB的容量。
相對于磁存儲和光存儲而言，DNA存儲有哪些優勢？
首先，就是節約空間。但這些單層平鋪式的存儲方式，比起DNA的雙螺旋立體結構來說，其存儲量就有了多個數量級的差距。DAN本身的實體體積極小且又是立體結構，機關空間的資料密度非常高。舉個簡單的例子，1克DNA不到指尖上一滴露珠大小，卻能夠儲存700TB的資料，相當于1.4萬張50GB容量的藍光CD光牒，或233個3TB的硬碟（差不多151KG重）。
再則，非常節能。現有存儲方式，比如說一個資料中心，要消耗大量的單晶矽，還要消耗大量的電。而DNA物質隻需儲存在陰涼、幹燥的地方就可以，基本不需要額外的人工維護。就算需要把DNA冷凍起來，消耗的資源和能源也幾乎可以忽略不計。
此外，最重要的一點就是，儲存時間非常久。現在高密度的存儲器都會随着時間推移而衰減，能存儲時間最長的工具是錄音帶，其壽命也就50年，其他的存儲器壽命更短。比較而言，DNA則保存期限就以百年計算了，如果将其冷凍起來，能儲存幾千甚至上萬年。
看來人類文明的拯救方案有了，但DNA存儲到底是如何做到的呢？
衆所周知，DNA由四種含氮堿基——A、T、C和G互補配對構成，科學家将腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）分别賦予二進制值（A和C=0 ，G和T=1），随後通過微流體晶片對基因序列進行合成，進而使該序列的位置與相關資料集相比對。這樣就把這些堿基對編碼成1和0的組合，就可以用DNA的序列資訊來表達二進制的語言了。
當每次将二進制語言寫進DNA序列當中，就可以把“DNA硬碟”放到低溫環境中進行儲存。而需要讀取資料的時候，隻用對目标DNA進行測序，将堿基對還原成二進制編碼，再完成解碼，就可以還原為我們常見的資料了。
原理是非常簡單，但科學家是如何做到的呢？這就要簡單回顧下DNA存儲技術的發展史了。
DNA存儲是如何一步步發展到現在的？
最先想到這一方法的是一位藝術家Joe Davis，他在1988年與哈佛研究人員合作，把一個取名為Microvenus（小維納斯）的7*5像素矩陣的照片，轉化成35個堿基的DNA序列，插入到大腸杆菌裡，第一次把不屬于自然演化的資訊寫進了在DNA當中。
2010年，美國合成生物學家克雷格•文特爾（(Craig Venter）帶領研究團隊化學合成了整個支原體基因組DNA，取名為“辛西娅（Synthia）”，并以“自娛自樂”的方式将課題研究者的名字、研究所網址和愛爾蘭詩人詹姆斯的詩句等資訊編碼進新合成的DNA中。
2011年，哈佛大學的合成生物學家喬治·丘奇（George Church）和加州大學的瑟裡·庫蘇裡(Sriram Kosuri)上司的團隊以及約翰•霍普金斯大學的基因組專家高原（Yuan Gao）首次進行了概念證明性實驗。團隊使用短DNA片段編碼了一本丘奇的659KB資料的書。
2013年，歐洲生物資訊研究所（EBI）的尼克•高德曼（Nick Goldman）和他的研究團隊也成功地将包括莎士比亞十四行詩和馬丁•路德•金“我有一個夢想”的演講片段、一篇沃森和克裡克DNA雙螺旋論文副本等5個檔案編寫進了DNA片段裡當中。739KB資料成為當時最大的DNA存儲檔案。
2016年，微軟和華盛頓大學又利用DNA存儲技術完成了約200MB資料的存儲，成為DNA資訊存儲技術的一個飛躍。
2017年7月，《自然》雜志發表了哈佛大學醫學院的賽斯•希普曼(Seth Shipman)和喬治·丘奇合作的一項活體DNA存儲的研究。他們把一部130年前的黑白電影《奔跑中的馬》存在了大腸杆菌的DNA上。雖然大腸杆菌體内有一段“奇怪的DNA”，不僅能夠正常生存，還可以正常遺傳，每次繁衍都是一次資料複制。而且存儲在基因組中的電影，在每一代大腸杆菌中也都完整無缺地儲存下來了。
但因為細胞的複制、分裂以及死亡，會造成資訊出錯的風險，未來資料安全，大多數情況下存儲資訊的DNA都是以DNA幹粉的形式存在，活體細胞存儲的研究轉向合成DNA存儲。
同一年，哥倫比亞大學和紐約基因組中心在《科學》雜志發表了一項稱為“DNA噴泉”算法高效的DNA存儲政策。這項技術展示了最大化利用DNA的存儲潛力，成功将海量資訊壓縮至DNA的四個堿基，即為每個DNA編碼1.6比特（bits）的資料，比之前多存儲了60%的資訊，逼近理論極限（1.8比特）。該方法能夠将215PB資料存儲在一克DNA中，相當于2.2億部電影。
2018年，愛爾蘭沃特福德理工學院（WIT）研究人員開發出一種新型DNA存儲方法，可在1克大腸杆菌DNA中存儲1ZB的資料。
2019年，丘奇團隊又在《科學》期刊上發表了一項實驗結果。他們将丘奇的一本大約5.34萬個單詞《再生：合成生物學将如何改變未來的自然和自己》的書，以及11張圖檔和一段Java程式，編碼進不到億萬分之一克的DNA微晶片，再成功利用 DNA 測序來閱讀這本書。
這些科研的快速發展也意味着DNA合成技術（資料寫入）和DNA測序技術（資料讀取）正走向成熟。但同時，DNA編碼過程仍然存在着存儲/讀取速度和成本等問題，DNA存儲離商業化還在路上。
DNA存儲商業化的問題與進展
在實驗室裡，看起來DNA存儲并不複雜，但是在商業化上面，仍然還面臨着一些問題。
首先，存儲和讀取的速度都很慢。DNA儲存設備的通路速度很慢，存取也很費時間。相比較磁盤存儲的電磁信号，DNA合成卻要依賴于一系列化學反應。用磁盤寫入200MB資料，不用1秒，用DNA合成差不多得需要3周的時間。
其次，DNA媒體不能覆寫和重寫。在DNA裡，一旦把資訊存進去，一般來說不能修改。想讀取這個文檔，需要把全部資訊完全測序出來再轉碼。
第三，資料存儲的準确性有待提高。目前DNA測序時的重複讀取導緻讀錯機率較大。
第四，随機讀寫困難。目前DNA合成技術無法一次性産生較長的DNA分子，隻能合成衆多的短片段。這使得在衆多DNA小片段組成的混合物當中，快速調取特定資料存在困難。
最後，也是最重要的，DNA存儲成本太高了。比如目前DNA存儲200MB資料，需要耗資80萬美元，而用電子裝置，成本連1美元都不到。
但正如上面所說，如果放到更長的時間尺度上和資料存儲空間壓力下，DNA具有的大存儲密度、高節能環保、超長穩定性的獨特優勢就顯現出來了。隻要随着存儲和讀取技術的發展，DNA編碼和測序的效率提升，成本大幅下降，DNA存儲離商業化應用也就不遠了。
那麼，現在在商業化上有哪些進展呢？
在2015年，微軟公司和華盛頓大學合作發表了一個成果，采用定點讀取資訊，也就是給一個長長的DNA鍊裡加入一些追蹤标記。這些類似索引機制的标記，可以不用每次等測序完整DNA長鍊，就能選取合适的标記進行讀取。
2018年，讀取技術又實作突破，微軟研發了“納米孔”讀取技術，讓 DNA 媒體列能擠過一個很小的納米孔而讀取其中每個 DNA 堿基。這一技術讓大大縮小了讀取裝置的空間開支，一個手掌大小的 USB 裝置就能進行讀取，但讀取速度在每秒幾KB左右，可以說仍然相當慢。
2019年3月，微軟團隊在《自然》雜志發表一項新的進展，他們開發了世界上第一個自動DNA存儲媒體。相比較于手動操作進行DNA的合成和測序，能夠自動化方式進行DNA編解碼才是未來商業化的出路。
另外，關于DNA存儲和讀取時長以及成本的問題，一家2016年成立的美國初創公司Catalog也正試圖嘗試解決。
去年，Catalog将一共16G的維基百科英文版文本存儲在了一個DNA分子上。他們使用了一台DNA書寫器裝置，以4Mbps的速度在DNA中記錄這些資料。這意味着在一天内可以記錄125GB，大約相當于高端手機可以存儲的容量。這一速度已經是之前研究所存儲速度的三倍。
目前，Catalog使用了由20到30個堿基對長預制合成DNA鍊，通過酶嵌套在一起，可以存儲更多的資料。這些片段的排列就像英語使用26個字母一樣，理論上可以創造出無數的組合。據Catalog估計，未來進行1MB資料DNA存儲成本将不到0.001美分。
當然，如果未來這家創業公司真的能夠将成本大幅降下來，那麼确實有可能為DNA資料存儲的商業化鋪平道路。
在2019年，《科學美國人》與世界經濟論壇聯合釋出的當年全球十大新興技術中， DNA資料儲存技術名列其中。
可以預見，磁存儲和光存儲方式在未來一段時間仍将占據資料存儲方式的主流。不過，即使我們不會出現地球末日這種極端情況，因為近幾年資料激增，人類也正面臨資料存儲空間不足的嚴峻問題。同時，資料存儲需求激增，帶來的是矽晶片使用量的激增，以及由此引發的環境污染問題、水資源和能源消耗等問題。
DNA存儲技術的實作，一定程度将緩解傳統存儲的容量問題，并大幅減少電子元件和能源的消耗。
當然，在存取技術上和成本控制上，DNA存儲為代表的碳基存儲方式還有很長的道路要走，但随着商業化的進展，其規模普及速度也會加快。從資料存儲的曆史來看，存儲媒介的變化是一個不斷變化且加速的過程，DNA存儲也應該成為我國關注和研究的技術方向。
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原文釋出時間：2020-04-20
本文作者：海怪
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