近日，北京大學(xué)定量生物中心錢瓏/歐陽頎團(tuán)隊在國際知名學(xué)術(shù)刊物《尖端科學(xué)》上發(fā)布的一篇論文引發(fā)了網(wǎng)友熱議，論文中稱研究人員將一篇容量約5KB文章存儲到了細(xì)菌的DNA中，從而將細(xì)菌變成了“移動硬盤”。

為何選擇細(xì)菌作為信息的載體？是否會存在生物安全風(fēng)險？日前，北京青年報記者聯(lián)系到該論文的其中一位通訊作者錢瓏，她表示，DNA數(shù)據(jù)儲存技術(shù)已有多年的發(fā)展歷史，但此次是國內(nèi)首次利用細(xì)菌來承載儲存數(shù)據(jù)的DNA。研究人員此次使用的是一種不會導(dǎo)致疾病的細(xì)菌，再加上其他的技術(shù)手段，可以確保實(shí)驗(yàn)對人類的安全性。

(相關(guān)資料圖)

如何變身“移動硬盤”？

將字符串記錄在DNA堿基對上

北京大學(xué)官方網(wǎng)站顯示，上述論文的兩名通訊作者中，歐陽頎為中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)物理學(xué)院講座教授、北京大學(xué)定量生物學(xué)中心副主任。另一名通訊作者錢瓏為北京大學(xué)定量生物學(xué)中心助理研究員。

錢瓏介紹說，DNA是生物體正常運(yùn)作必不可少的一類物質(zhì)，存在于各種生命體的細(xì)胞之中。如果不作改造，DNA攜帶的是生命延續(xù)和生物運(yùn)作必需的遺傳信息。從結(jié)構(gòu)上講，DNA像條鏈子一樣，是由堿基對組成的序列，每一個位置上都有四種可能性，像“結(jié)繩記事”那樣由前到后記錄了遺傳信息。DNA這條鏈子越長，承載的信息就越多。

在計算機(jī)領(lǐng)域，無論漢字、英文還是數(shù)字符號，抑或是一張圖像、一支音樂或一部電影，它在計算機(jī)中保存時，都可以按照全球通用的編譯規(guī)則轉(zhuǎn)化為“1”和“0”兩種數(shù)字的字符串。這個轉(zhuǎn)化的過程稱為“編碼”。硬盤里儲存著大量這樣由“1”和“0”組成的字符串。在打開圖片或文檔時，計算機(jī)要執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)的過程，“1”和“0”的字符串又要經(jīng)過“解碼”，呈現(xiàn)為感官接觸的圖片、文字或音樂等。而DNA數(shù)字存儲，就是把原本記錄在計算機(jī)硬盤上的“1”和“0”的字符串，改為記錄在DNA的堿基對上，不同的堿基對應(yīng)不同的字符串。

這樣，我們?nèi)祟惪勺x的信息就轉(zhuǎn)化成DNA的序列。在需要讀取數(shù)據(jù)時，就從試管中提取出DNA分子，對DNA的序列進(jìn)行讀取，“解碼”為平時使用的數(shù)據(jù)。

信息如何讀??？

所用儀器比手機(jī)還小

錢瓏表示，在DNA數(shù)據(jù)存儲方面，科研人員已經(jīng)努力了10年左右。在過去十年，主流的DNA數(shù)據(jù)存儲方式是“DNA池”：把DNA分子做成溶液保存在試管里，這就可以稱為一個DNA池。一個DNA分子能承載200比特左右的信息，而一支小小的試管里，能保存大量的DNA分子。估計下來，一毫升的DNA溶液里可以保存的數(shù)據(jù)相當(dāng)于2000多個2TB移動硬盤的內(nèi)容。但這種“DNA池”的存儲方式也有弊端。讀取這些DNA時需要專用的儀器，普通家庭一定不會購置。所以，“DNA池”中信息的讀取需要專業(yè)設(shè)備和技術(shù)，不能像手機(jī)里的數(shù)據(jù)那樣即寫即讀。因此，這種“DNA池”模式適用于比較大的數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)中心，但無法滿足少量、頻繁、日常的數(shù)據(jù)存儲。

“我們現(xiàn)在是把數(shù)據(jù)保存在細(xì)菌的DNA里，然后對細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)?！卞X瓏介紹，細(xì)菌是一個生命系統(tǒng)，細(xì)胞中的各類結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)，能夠維持DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定存在，一個DNA鏈就能變得更長，能存儲更多信息。所以，一個DNA分子上就能承載更多的信息，比如這次就是把大約5KB的信息儲存在了細(xì)菌的DNA里。

傳統(tǒng)的模式在信息讀寫方面都需要比較大的專業(yè)儀器，這是因?yàn)樗鼈兊臄?shù)據(jù)是由大量短鏈片段組成的，相比之下細(xì)菌的DNA鏈條更長，就可以用更小巧的測序儀進(jìn)行解讀，其大小比手機(jī)還小，需要的時候取出一點(diǎn)細(xì)菌液，經(jīng)過簡單處理就可以讀取出數(shù)據(jù)。

“細(xì)菌作為一種生物，還可以通過自我復(fù)制進(jìn)行增殖，我們可以直接利用細(xì)菌自身的繁殖能力，讓承載著信息的DNA隨著細(xì)菌的增殖而復(fù)制。細(xì)菌自己不斷復(fù)制的同時，我們的信息就能不斷保留下去。”錢瓏說。

是否存在安全風(fēng)險？

使用的是非致病細(xì)菌

有網(wǎng)友擔(dān)心，在編輯細(xì)菌的DNA用來保存信息的時候，是否會產(chǎn)生對人有傷害的“超級細(xì)菌”？對此，錢瓏表示，生物安全是全社會非常關(guān)心的問題?！拔覀冊诰幋a的時候會使用算法，并且和全世界的基因庫進(jìn)行對比，保證這一段信息之中不會出現(xiàn)與生物本身的編碼基因相同的片段。這就意味著，我們用于編碼信息的DNA不太可能表達(dá)出任何生物體本身的性狀。也就是說，我們導(dǎo)入的信息對于細(xì)菌來說是沒有任何意義的，其意義只是能承載人類才能讀取的信息。可以說，我們編輯的信息幾乎不會干擾細(xì)菌本身的生理特性和生物功能。這是我們最基本的要求。”

錢瓏說，“未來在技術(shù)上我們還可以在細(xì)菌的DNA里添加一些基因，確保細(xì)菌離開特定環(huán)境的時候就會自行死亡。類似這樣學(xué)界公認(rèn)的生物安全操作手段，可以被應(yīng)用到這個系統(tǒng)里。我們使用的細(xì)菌是一種在極端環(huán)境的鹽湖里找到的微生物，并不是能夠?qū)е录膊〉募?xì)菌。這種細(xì)菌在人類生活的環(huán)境下生長比較緩慢，這使得它的營養(yǎng)會很快被別的細(xì)菌奪走，難以繼續(xù)生存?？傊@個實(shí)驗(yàn)是非常安全的。”

DNA存儲數(shù)據(jù)有何優(yōu)勢？

存儲效率是傳統(tǒng)硬盤的1000萬倍

錢瓏表示，DNA的存儲密度特別高。以硬盤存儲為例，它的精度是納米級別，但幾納米的尺度上只能記錄一個“1”或一個“0”。此外，傳統(tǒng)的硬盤、光盤等存儲設(shè)備不是百分百的結(jié)構(gòu)都用來存儲數(shù)據(jù)，它還要散熱結(jié)構(gòu)等來擠占空間；與之相比，DNA存儲的密度在理論上可以是傳統(tǒng)的硬盤存儲效率的1000萬倍。

DNA的保存時間比較長。例如一些化石中提取出的DNA，雖然已經(jīng)成為碎片，但通過一些技術(shù)手段，仍然能夠提供大量的信息。它的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)在的存儲介質(zhì)，有的硬盤放置十幾年，可能就無法讀取數(shù)據(jù)了，它的硬件是會隨著時間損耗的。相比之下，DNA的保存時間是非常長的。

DNA的存儲和讀取不需要什么能量。雖然合成DNA和為DNA測序的過程需要特定裝置耗電，但如果只是長期保存，可以直接在常溫環(huán)境下保存，連冰箱冷藏都不需要。所以它的保存幾乎是沒有能耗的?，F(xiàn)在的數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)中心都要用硬盤存儲數(shù)據(jù)，這些硬盤是需要通電保持的；而且它平時也會放熱，需要降溫裝置，降溫也需要很大的能耗。

此外，DNA的體積低。DNA是一個納米級的分子，比如大醫(yī)院的病例數(shù)據(jù)，如果專門建造一個數(shù)據(jù)庫進(jìn)行儲存，它的資金消耗可能是千萬元到億元級別，需要一個大型空間和專業(yè)設(shè)施來承載硬盤及其他存儲設(shè)施。但一屋子的硬盤存儲的數(shù)據(jù)，用DNA來儲存可能就是手里的一捧試管?！斑@個對比就是很明顯的。基于這種考慮，科學(xué)家開始思考用DNA作為存儲數(shù)據(jù)的工具?！卞X瓏介紹。

對話

北青報：為什么要用DNA這種生命體內(nèi)的遺傳物質(zhì)來存儲數(shù)據(jù)？

錢瓏：我們正身處一個大數(shù)據(jù)時代，也許普通人會覺得自己手中的數(shù)據(jù)沒有多少，但在整個社會中，數(shù)據(jù)的積累已經(jīng)到了很大的程度。一個U盤可以承載幾個GB的文件。日常使用的存儲介質(zhì)中容量最大的可能就是硬盤，有的硬盤存儲容量能達(dá)到1個TB，相當(dāng)于1024個GB。

但社會上采集的各類數(shù)據(jù)要大得多，比如，一個天文臺每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是以PB為單位的，一個PB的文件量就能裝滿1024個容量為1TB的移動硬盤了。這樣日復(fù)一日積累下去，就是一個名副其實(shí)的“天文數(shù)字”。許多數(shù)據(jù)現(xiàn)在雖然采集了，但長年用不上，只是需要存檔，不能刪除?，F(xiàn)在我們的解決方法是將這些數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)中心，但數(shù)據(jù)中心需要耗電維護(hù)，降低數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險。這種情況下一年消耗的電量是極大的。

另外，現(xiàn)在我們的硬盤使用的材料主要由硅元素構(gòu)成。但是，地球上每年能開采的硅資源是有限的，無法承擔(dān)未來海量數(shù)據(jù)的存儲。所以，我們要為未來尋找資源再生的、密度高的、存放時間長的新型材料。

北青報：儲存在細(xì)菌DNA里的5KB信息包含了什么內(nèi)容？

錢瓏：我們導(dǎo)入的數(shù)據(jù)是弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森在1953年發(fā)表的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)論文，這篇論文首次揭示了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，在這一研究領(lǐng)域具有巨大的歷史意義。論文轉(zhuǎn)成數(shù)據(jù)以后有5KB大小。將這篇有劃時代意義的論文保存在細(xì)菌里的想法是我們團(tuán)隊的歐陽頎教授提出的。

北青報：這項(xiàng)技術(shù)多久能走進(jìn)普通人的日常生活？

錢瓏：應(yīng)該說，現(xiàn)在我們存儲和讀取DNA中的數(shù)據(jù)所需要的成本還比較高，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些成本很可能會逐漸降下來。

未來，如果DNA成為重要的數(shù)據(jù)介質(zhì)，DNA池存儲和細(xì)菌基因組存儲兩種方式各有不同的特性，兩者可以互補(bǔ)。它們之間就像大數(shù)據(jù)中心和普通人手中的U盤，用途不同、形式也不同。未來一段時間，像細(xì)菌基因組存儲這樣的便攜式、功能性存儲系統(tǒng)或許會是重點(diǎn)發(fā)展的方向。當(dāng)然，這樣一個技術(shù)路線的打通需要每個節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步，也就意味著需要全球各個學(xué)科領(lǐng)域的科研工作者共同努力。

本組文/本報記者 屈暢 實(shí)習(xí)生 侯翔宇

統(tǒng)籌/蔣朔