近日，北京大學(xué)定量生物中心錢瓏/歐陽(yáng)頎團(tuán)隊(duì)在國(guó)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(chǔ)到了細(xì)菌的DNA中，從而將細(xì)菌變成了“移動(dòng)硬盤”。

為何選擇細(xì)菌作為信息的載體？是否會(huì)存在生物安全風(fēng)險(xiǎn)？日前，北京青年報(bào)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(chǔ)存技術(shù)已有多年的發(fā)展歷史，但此次是國(guó)內(nèi)首次利用細(xì)菌來(lái)承載儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的DNA。研究人員此次使用的是一種不會(huì)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(duì)人類的安全性。

(相關(guān)資料圖)

如何變身“移動(dòng)硬盤”？

將字符串記錄在DNA堿基對(duì)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(yáng)頎為中國(guó)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(shuō)，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(duì)組成的序列，每一個(gè)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(zhǎng)，承載的信息就越多。

在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，無(wú)論漢字、英文還是數(shù)字符號(hào)，抑或是一張圖像、一支音樂(lè)或一部電影，它在計(jì)算機(jī)中保存時(shí)，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(gè)轉(zhuǎn)化的過(guò)程稱為“編碼”。硬盤里儲(chǔ)存著大量這樣由“1”和“0”組成的字符串。在打開(kāi)圖片或文檔時(shí)，計(jì)算機(jī)要執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程，“1”和“0”的字符串又要經(jīng)過(guò)“解碼”，呈現(xiàn)為感官接觸的圖片、文字或音樂(lè)等。而DNA數(shù)字存儲(chǔ)，就是把原本記錄在計(jì)算機(jī)硬盤上的“1”和“0”的字符串，改為記錄在DNA的堿基對(duì)上，不同的堿基對(duì)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(shí)，就從試管中提取出DNA分子，對(duì)DNA的序列進(jìn)行讀取，“解碼”為平時(shí)使用的數(shù)據(jù)。

信息如何讀取？

所用儀器比手機(jī)還小

錢瓏表示，在DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，科研人員已經(jīng)努力了10年左右。在過(guò)去十年，主流的DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(gè)DNA池。一個(gè)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(jì)下來(lái)，一毫升的DNA溶液里可以保存的數(shù)據(jù)相當(dāng)于2000多個(gè)2TB移動(dòng)硬盤的內(nèi)容。但這種“DNA池”的存儲(chǔ)方式也有弊端。讀取這些DNA時(shí)需要專用的儀器，普通家庭一定不會(huì)購(gòu)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(xiě)即讀。因此，這種“DNA池”模式適用于比較大的數(shù)據(jù)庫(kù)或數(shù)據(jù)中心，但無(wú)法滿足少量、頻繁、日常的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

“我們現(xiàn)在是把數(shù)據(jù)保存在細(xì)菌的DNA里，然后對(duì)細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)?！卞X瓏介紹，細(xì)菌是一個(gè)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(gè)DNA鏈就能變得更長(zhǎng)，能存儲(chǔ)更多信息。所以，一個(gè)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(chǔ)存在了細(xì)菌的DNA里。

傳統(tǒng)的模式在信息讀寫(xiě)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(zhǎng)，就可以用更小巧的測(cè)序儀進(jìn)行解讀，其大小比手機(jī)還小，需要的時(shí)候取出一點(diǎn)細(xì)菌液，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)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(guò)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(shí)，我們的信息就能不斷保留下去。”錢瓏說(shuō)。

是否存在安全風(fēng)險(xiǎn)？

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(lái)保存信息的時(shí)候，是否會(huì)產(chǎn)生對(duì)人有傷害的“超級(jí)細(xì)菌”？對(duì)此，錢瓏表示，生物安全是全社會(huì)非常關(guān)心的問(wèn)題?！拔覀?cè)诰幋a的時(shí)候會(huì)使用算法，并且和全世界的基因庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，保證這一段信息之中不會(huì)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(shuō)，我們導(dǎo)入的信息對(duì)于細(xì)菌來(lái)說(shuō)是沒(méi)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(shuō)，我們編輯的信息幾乎不會(huì)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(shuō)，“未來(lái)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(kāi)特定環(huán)境的時(shí)候就會(huì)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(gè)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(zhǎng)比較緩慢，這使得它的營(yíng)養(yǎng)會(huì)很快被別的細(xì)菌奪走，難以繼續(xù)生存?？傊@個(gè)實(shí)驗(yàn)是非常安全的。”

DNA存儲(chǔ)數(shù)據(jù)有何優(yōu)勢(shì)？

存儲(chǔ)效率是傳統(tǒng)硬盤的1000萬(wàn)倍

錢瓏表示，DNA的存儲(chǔ)密度特別高。以硬盤存儲(chǔ)為例，它的精度是納米級(jí)別，但幾納米的尺度上只能記錄一個(gè)“1”或一個(gè)“0”。此外，傳統(tǒng)的硬盤、光盤等存儲(chǔ)設(shè)備不是百分百的結(jié)構(gòu)都用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，它還要散熱結(jié)構(gòu)等來(lái)擠占空間；與之相比，DNA存儲(chǔ)的密度在理論上可以是傳統(tǒng)的硬盤存儲(chǔ)效率的1000萬(wàn)倍。

DNA的保存時(shí)間比較長(zhǎng)。例如一些化石中提取出的DNA，雖然已經(jīng)成為碎片，但通過(guò)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(guò)現(xiàn)在的存儲(chǔ)介質(zhì)，有的硬盤放置十幾年，可能就無(wú)法讀取數(shù)據(jù)了，它的硬件是會(huì)隨著時(shí)間損耗的。相比之下，DNA的保存時(shí)間是非常長(zhǎng)的。

DNA的存儲(chǔ)和讀取不需要什么能量。雖然合成DNA和為DNA測(cè)序的過(guò)程需要特定裝置耗電，但如果只是長(zhǎng)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(méi)有能耗的?，F(xiàn)在的數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)中心都要用硬盤存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這些硬盤是需要通電保持的；而且它平時(shí)也會(huì)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(gè)納米級(jí)的分子，比如大醫(yī)院的病例數(shù)據(jù)，如果專門建造一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存，它的資金消耗可能是千萬(wàn)元到億元級(jí)別，需要一個(gè)大型空間和專業(yè)設(shè)施來(lái)承載硬盤及其他存儲(chǔ)設(shè)施。但一屋子的硬盤存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，用DNA來(lái)儲(chǔ)存可能就是手里的一捧試管?！斑@個(gè)對(duì)比就是很明顯的?；谶@種考慮，科學(xué)家開(kāi)始思考用DNA作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的工具?！卞X瓏介紹。

對(duì)話

北青報(bào)：為什么要用DNA這種生命體內(nèi)的遺傳物質(zhì)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)？

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

但社會(huì)上采集的各類數(shù)據(jù)要大得多，比如，一個(gè)天文臺(tái)每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是以PB為單位的，一個(gè)PB的文件量就能裝滿1024個(gè)容量為1TB的移動(dòng)硬盤了。這樣日復(fù)一日積累下去，就是一個(gè)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(zhǎng)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(xiǎn)。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(kāi)采的硅資源是有限的，無(wú)法承擔(dān)未來(lái)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。所以，我們要為未來(lái)尋找資源再生的、密度高的、存放時(shí)間長(zhǎng)的新型材料。

北青報(bào)：儲(chǔ)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(shí)代意義的論文保存在細(xì)菌里的想法是我們團(tuán)隊(duì)的歐陽(yáng)頎教授提出的。

北青報(bào)：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(shuō)，現(xiàn)在我們存儲(chǔ)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(huì)逐漸降下來(lái)。

未來(lái)，如果DNA成為重要的數(shù)據(jù)介質(zhì)，DNA池存儲(chǔ)和細(xì)菌基因組存儲(chǔ)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(lái)一段時(shí)間，像細(xì)菌基因組存儲(chǔ)這樣的便攜式、功能性存儲(chǔ)系統(tǒng)或許會(huì)是重點(diǎn)發(fā)展的方向。當(dāng)然，這樣一個(gè)技術(shù)路線的打通需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步，也就意味著需要全球各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的科研工作者共同努力。

本組文/本報(bào)記者 屈暢 實(shí)習(xí)生 侯翔宇

統(tǒng)籌/蔣朔