人類正在以驚人的速度創(chuàng)建數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)——專家預(yù)測(cè)，到2020年，我們每秒鐘將為地球上的每個(gè)人平均產(chǎn)生1.7兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。
如今，大多數(shù)數(shù)據(jù)通常以1和0的形式存儲(chǔ)在通?；诖呕蚬獾南到y(tǒng)（例如硬盤或DVD）上?？紤]到這些系統(tǒng)的最大使用壽命約為一個(gè)世紀(jì)，而且與人類產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)相比，每個(gè)設(shè)備可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量很小，因此這遠(yuǎn)非理想狀態(tài)。在這一背景下，DNA被提出用作有效、靈活實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期存儲(chǔ)的解決方案。近年來，DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)研究已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外大公司（如微軟）關(guān)注的一大方向。
過去的研究表明，可以將二進(jìn)制代碼的1和0轉(zhuǎn)換為DNA的As，Ts，Cs和Gs，然后創(chuàng)建包含該代碼的人工DNA分子。
每個(gè)生物都包含提供其存在代碼的DNA，現(xiàn)在無生命的物體也可以具有該代碼，從而實(shí)現(xiàn)“復(fù)制克隆”。
最近，一個(gè)歐洲科學(xué)家團(tuán)隊(duì)宣布已經(jīng)成功找到了一種將DNA基本上存儲(chǔ)在任何物體中的方法——通過編碼說明在兔子本身中創(chuàng)建3D打印塑料兔子的方法，證明了這種能力。
周一發(fā)表在《自然·生物技術(shù)》雜志（Nature Biotechnology）上的這項(xiàng)研究中，研究人員首先編碼了該兔子在DNA中的印刷說明。然后，他們將DNA包裹在玻璃納米珠中，并將珠添加到用于3D打印兔子的塑料中。
研究人員羅伯特·格拉斯（Robert Grass）稱：“像真正的兔子一樣，我們的兔子也有自己的DNA藍(lán)圖。”
科學(xué)家以一種超前瞻的方式展示了該技術(shù)。他們將一種名為“斯坦福兔子”（Stanford Bunny）的計(jì)算機(jī)圖形測(cè)試模型的藍(lán)圖編碼為DNA兼容格式，這是3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中最常用的測(cè)試模型之一，也是首只DNA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的兔子。該兔子總共包含3.7億個(gè)描述其輪廓的數(shù)據(jù)文件副本，相信做3D打印的人都見識(shí)過這個(gè)模型了。
在打印了第一個(gè)兔子之后，研究人員用物理方法將兔子的耳朵剪掉了，并提取了含有DNA的珠子。“只需要很少的數(shù)量，” Erlich說，“DNA稀疏，但無處不在。”然后，他們使用DNA測(cè)序儀對(duì)指令進(jìn)行解碼，并將其轉(zhuǎn)換回二進(jìn)制.stl文件，從而產(chǎn)生用于打印兔子的數(shù)字指令。這只兔子三維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)以雙鏈DNA結(jié)構(gòu)的形式內(nèi)置在打印材料中。這樣他們就可以創(chuàng)建另一個(gè)帶有含DNA納米珠的小兔子，然后再創(chuàng)建另一個(gè)……直到他們制造出五代相同的兔子。
總體而言，研究人員產(chǎn)生了五代兔子，每次都剪下前一代的片段，并對(duì)DNA進(jìn)行解碼以獲取打印下一個(gè)克隆的說明。在這一過程中，沒有信息丟失，封裝了從前一代擴(kuò)增到下一代的DNA，即使在相隔9個(gè)月的第四代和第五代之間，DNA藍(lán)圖也保持穩(wěn)定。
上圖解釋了塑料兔子的3D打印與解碼原理 （圖源：Nature Biotechnology）
研究團(tuán)隊(duì)將這一解碼程序稱為“DNA噴泉”（DNA Fountain），這使得他們可以在丟失多達(dá)80％DNA數(shù)據(jù)的情況下，仍然可以借助檢索.stl文件恢復(fù)物體原貌。該程序的算法會(huì)根據(jù)可用信息填充空白，例如解決數(shù)獨(dú)難題。
通過編碼和解碼，這只兔子模型實(shí)現(xiàn)了其自身數(shù)據(jù)的DNA存儲(chǔ)和傳遞。推而廣之，世界萬物皆可實(shí)現(xiàn) DNA 存儲(chǔ)。“通過這種方法，我們可以將3D打印指令集成到一個(gè)對(duì)象中，這樣幾十年甚至幾個(gè)世紀(jì)之后，就有可能直接從對(duì)象本身獲取這些指令。”
這意味著從現(xiàn)在開始的一千年，一個(gè)人就可以只用一塊兔子來解碼其中存儲(chǔ)的DNA，并確切了解小飾品的外觀，甚至通過3D打印“克隆”出來。
DNA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)是很明顯的，這讓它成為了這一研究領(lǐng)域的寵兒：幾乎任何種類的數(shù)字信息都可以存儲(chǔ)在DNA中，而且它不像硬盤、二維碼這些方案一樣需要固定的形狀和格式。一克DNA可以存儲(chǔ)十億兆兆字節(jié)約215PB的數(shù)據(jù)，并可以保存數(shù)千年。按照高清電影每部10GB算，1克DNA能夠存儲(chǔ) 2.2 億部電影！
但另一方面我們應(yīng)當(dāng)注意到，成本高、時(shí)間效率低是DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用普及的“攔路虎”：Yaniv Erlich制作那只兔子的成本大約就要14000元，而且從編碼到解碼需要花費(fèi)幾十個(gè)小時(shí)。而且，DNA是一個(gè)脆弱的分子，高溫、強(qiáng)烈的pH波動(dòng)和紫外線都會(huì)使其變質(zhì)，從而降低其編碼信息的質(zhì)量。
保持其化學(xué)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)任何DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)夢(mèng)想的關(guān)鍵。研究人員率先提出了一種在微小的保護(hù)性玻璃殼內(nèi)捕獲DNA分子的方法。在2013年，研究人員Yaniv Erlich想出了如何制造帶正電荷的二氧化硅顆粒，使其附著在帶負(fù)電荷的DNA上的方法。它們會(huì)形成一層薄膜，可以保護(hù)分子免受多種威脅。幸運(yùn)的是，他們利用這種技術(shù)設(shè)計(jì)了一種具有自身DNA記憶的材料生產(chǎn)工藝，就像人類自己體內(nèi)的細(xì)胞一樣。
不過最終，研究人員們相信自己的“萬物DNA”（DNA-of-things，DoT）存儲(chǔ)形式可用于將數(shù)據(jù)嵌入無數(shù)個(gè)物理對(duì)象中——與現(xiàn)在的硬盤驅(qū)動(dòng)器和磁盤相比，其保存時(shí)間更長(zhǎng)。研究人們指出，“萬物DNA”的概念能夠?qū)⒚孛苄畔㈦[藏在物體中，甚至隱藏在其他類型的數(shù)字文件中，甚至可以成為邁向自我復(fù)制機(jī)器的重要一步。
也許它將使將來考古學(xué)家的工作變得容易得多。想象一下，如果一堆古老的陶器產(chǎn)生了制作整個(gè)船只復(fù)制品的信息，那該多么讓人興奮！
