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用DNA取代硬盘

用DNA取代硬盘

计算   新材料     凯瑟琳·波尔扎克(Katherine Bourzac)    2013-01-24 19:45:33

利用生物分子对MP3、文本文件和图片进行编码的研究人员表示,DNA将在几十年之后成为有竞争力的存储介质。

 

为什么重要:

随着数字化信息量的增长,如何找到可靠的长期存储介质逐渐成为一大问题。

 

有朝一日,DNA的作用可能不只是生命的蓝图,还可能以不可想象的压缩形式将大量的文档、音乐或图片储存几千年之久。

 

位于英国辛克斯顿的欧洲生物信息学研究所的研究人员展示了一种新方法,能够用这种方式对几种常见的计算机文件格式进行可靠编码。随着DNA测序和合成的价格持续下降,研究人员估计,DNA这种生物存储介质将在未来几十年内变得有竞争力。

 

DNA的信息存储密度至少相当于现有介质的1000倍,但是直到最近,DNA合成的成本才降下来,而之前这一技术一直极为罕见。不过,传统上的数字信息的长期存储方式继续暴露出很多问题。一般用来存储档案的磁带在几十年之后会变得脆弱,磁粉涂层会脱落。即便用来存储信息的物理介质保持不变,存储格式也总在变化。这意味着数据必须转换成新格式,否则就将无法读取。

 

相比之下,DNA可以长时间保持稳定,而且只使用一种可能一直有用的格式。该项目的负责人尼克·高德曼(Nick Goldman)说:“我们想把存储介质和能够读取介质的机器分离开来,我们总有读取DNA的技术。”高德曼提到,目前已经找到几万年前的DNA碎片,一直稳定不变。而且DNA如果被冷藏或冷冻起来,可以保持更长时间的稳定。                  

 

英国的研究人员将存有马丁·路德·金的《我有一个梦想》演讲的MP3文件、一篇科学论文的PDF文档、一张JPEG彩色图片以及一首莎士比亚的十四行诗的ASCII文本文档用DNA进行了编码。DNA文件的存储密度约为每克2.2PB。

 

以前也曾有人演示过DNA数据存储。比如去年夏天,由哈佛大学遗传学教授乔治·丘奇(George Church)领导的研究团队就使用DNA存储技术对一本书进行了编码。

 

高德曼说,新研究的不同之处在于,研究人员将精力集中在实用的、可容错的设计上。为了创建DNA文件,研究人员编制了软件,将数字高电平和低电平转换为DNA碱基的字母表---A、T、C、G。这一方法确保不会出现重复的碱基,如AA或GG,重复的碱基会导致DNA合成和测序过程中更高的错误率。

 

文件被分为多个部分,每个部分都用索引代码的书挡分隔,索引中包括某碱基应归属哪个文件以及某一文件的哪个部分---就像一本书上的页码和标题相类似。

 

编码软件同样保证了一定的余量。文件的每一部分都由四种不同的片段所代表,所以即便出现了几处退化,也很容易修复数据。

 

研究人员正与加州大学圣克拉拉分校的 Agilent Technologies合作,对DNA片段进行合成,然后展示出他们能够对其测序,并将文件精确地重建。这一成果发表在昨天的《自然》杂志上。

 

高德曼的团队估计,目前用DNA进行数据编码的成本为12400美元/MB,读回原数据还要再加220美元/MB。高德曼表示,如果DNA合成的费用如预期般地在未来十年内下降两个数量级,那么DNA数据存储的成本不久就会低于磁带存储。

 

位于北卡罗莱纳州达勒姆的半导体研究公司负责存储技术的程序主管维克多·日尔诺夫(Victor Zhirnov)说,因为目前的成本太高,所以DNA数据存储可能会最先用于存储不频繁访问的数据档案上。在前景的展望上,他表示,将出现一种“更富侵略性的技术”来取代闪存。闪存是一种用于便携电子设备上的不易丢失数据的存储技术,产量已经达到了极限。关键是要开发出与DNA存储相配套的整个硬件系统,而不仅仅是测序机与合成机。

 

哈佛大学的丘奇表示,他正在努力解决这个问题。他说:“我们能够持续地逐步提高读写DNA的能力,但我想完全跳出这个框架。”目前,丘奇正在开发能够直接将视频和音频这样的模拟信号编码成DNA的系统,从而一次性地消灭传统电子设备。

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