1千克DNA存储全世界 1千克 _小知识

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DNA的双螺旋结构使其成为一种理想的存储介质，但它还不能取代传统的硬盘驱动器。（资料图/图）
（本文首发于2019年7月4日《南方周末》）
DNA具有许多合适的特性，使其成为存储海量信息的理想选择。随着测序技术的进步，研究人员开始使用 DNA作为分子记录仪，来“读”和“写”信息。这一进展可能对加速药物开发和治疗疾病意义重大。
在人类发明硬盘的数十亿年前，进化选择了DNA来存储最宝贵的信息——遗传密码。随着时间推移， DNA变得非常擅长这项工作，成为了地球绝大多数生命的首选工具。最近的一些技术突破让我们可以轻松“读”、“写”DNA ，于是科学家正在重新利用这种古老的分子存储新类型的信息——在大数据时代，人类以指数级速度生成的数据信息。
利用DNA来存储遗传密码之外的信息，这一设想已经得到了广泛的讨论。毕竟，以1和0记录计算机代码的方式正在接近物理极限。要安全存储我们生成的所有数据，需要克服许多难题。近日，其中一个问题重新映入人们的视野，曾经风行一时的社交媒体网站Myspace宣布，他们在服务器迁移过程中无可挽回地丢失了大约1年的数据。长期保存数据，例如一个休眠一段时间后重新启动的网站中的数据，暴露了现有技术的脆弱和笨拙。而且这不仅仅是一个空间问题：维持数据存储需要消耗大量的能量。
DNA的特性有望解决这些问题。一方面， DNA的双螺旋结构非常适合数据存储，因为知道一条单链的序列就会自动知道另一条单链的序列。另外， DNA也能长时间维持稳定，这意味着信息的完整性和准确性都可以得到保证。例如， 2017年，科学家分析了从8100年前的人类遗骸内分离出来的DNA 。而这些遗骸的保存环境甚至算不上理想，如果是干燥凉爽的环境， DNA可以保存数万年之久。
不过， DNA双螺旋最有吸引力的地方大概是它可以折叠成一个非常紧密的结构。每个人类细胞都包含一个直径约0.00001米的细胞核，但如果把细胞核内的DNA伸展拉直，它将长达两米。换句话说，如果将一个人的全部DNA串在一起，它将延伸至100万亿米。在2014年，科学家计算出1克DNA理论上可以存储455EB（1018字节）的数据。这样的信息存储密度大约比硬盘中的物理存储密度高出100万倍。
虽然DNA通常被认为是一种存储介质，但在取代传统硬盘驱动器之前，它仍然有许多科学、经济和伦理上的障碍需要克服。与此同时， DNA作为一种适用范围更广的信息技术已经得到了越来越多的应用。例如，一些经典的好莱坞电影已经从脆弱的胶片转移到了遗传密码中。最近， DNA工具已被用来设计更安全的基因疗法，加速抗癌药物研发，甚至第一次“直播”活体生物内的遗传活动。在这个不断发展的领域的前沿， DNA不仅被用于长期存储数据，还在以前所未有的速度促进数据生成。这是因为DNA在两个方向上都要比其他分子更具可扩展性：它一方面能大幅增加我们获得的数据量，另一方面又能缩减存储数据所需的资源。
加速新药物开发近年来，科学家越来越多地用DNA作为分子记录器，来理解和跟踪他们的实验结果。在多数情况下，这个过程都用到了DNA条形码编码：为了标记和跟踪单个实验的结果，科学家使用已知的DNA序列作为分子标签。例如，一个实验结果可以用DNA序列ACTATC标记，而另一个结果可以用TCTGAT标记。
DNA条形码技术发源于20世纪90年代初，当时斯克里普斯研究所的理查德·勒纳（Richard Lerner）和已故的悉尼·布伦纳（Sydney Brenner）提出， DNA可充当一种追踪化学反应的新工具。他们的设想极具创新性，但也过于超前了：当时还没有廉价的DNA读取技术。因此，直到众多科学家在核苷酸化学、微流控技术等领域做出贡献，促成新一代测序技术出现， DNA条形码技术的潜力才得以兑现。在2005年，测序技术迎来了一个重大突破，研究者称，他们可在4小时的实验中分析2500万个DNA碱基。