“穿孔卡”DNA可能意味著更便宜的大容量資料儲存

穿孔卡片是記憶體嗎

這種新方法可能比其他的基因儲存方法更快、更簡單。

如果地球上每個人都不得不依賴快閃記憶體（一種用於儲存卡和隨身碟的資料儲存系統），那麼到2040年，全球預計將產生的資訊量將比微晶片級矽的預期供應量高出100倍。為了防止這樣的危機，研究人員一直在探索生命本身所依賴的一種儲存材料：DNA。

從理論上講，這種物質可以儲存大量的資訊——每立方毫米DNA可以儲存1eb（10億千兆位元組）的資訊——長達數千年。作為大多數數字檔案基礎的磁帶的最長壽命約為30年，但70萬年前化石的DNA仍然可以測序。然而，使DNA資料儲存成為現實的一個障礙是，建立或合成符合所需程式碼的新DNA序列的過程緩慢、昂貴且容易出錯。

伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的編碼理論家奧吉卡•米倫科維奇（Olgica Milenkovic）表示：“在記錄成本、準確性和書寫速度方面，合成DNA是一個主要瓶頸。”她和她的同事提出了一種新的解決方案：用“刻痕”模式標記現有的DNA分子來編碼資料，而不是從頭開始自定義合成DNA。這種方法受到打孔卡的啟發，打孔卡是一種硬紙板，在特定的位置打孔，用來儲存許多早期計算機的資訊，包括二戰時期的ENIAC。研究人員週三在《自然通訊》（Nature Communications）雜誌上詳細介紹了他們的技術。

以前的DNA儲存方法處理四種關鍵的DNA成分，即鹼基——腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鳥嘌呤類電子位元，即編碼數字資料的1和0。例如，每個鹼基可能被賦值為00、01、10或11。但是，這種新方法並沒有將一系列的位元轉換成DNA程式碼，也沒有合成相應的鹼基串，而是把現有的遺傳物質當作類似於早期打孔卡片的紙張。這項研究的主要作者S。 Kasra Tabatabaei說，

酶是“打孔的裝置”

。在這種情況下，這些“孔洞”是組成DNA骨架的分子之間被切斷的鍵。出現這個標記表示1，若沒有則表示0。

布朗大學（Brown University）的理論化學家布倫達·魯賓斯坦（Brenda Rubenstein）說，這項研究最有趣的方面是

它如何依賴於自然

。她沒有參與這項研究。她說，“研究人員讓這些酶做它們最自然的事情，從而留下痕跡來儲存資訊”

為了精確定位這些“孔洞”（即酶留下的痕跡），研究小組對雙鏈DNA分子進行加熱直到它們在中間展開一點點。這個過程會形成氣泡，使鹼基暴露在外。接下來，科學家用單鏈DNA分子，每個分子只有16個鹼基長，讓它們附著在這些氣泡內相應的鹼基序列上。這些單鏈分子的末端起著嚮導的作用，告訴酶去哪裡。在DNA中，每個鹼基連線一個糖分子和一個磷酸基，形成一種稱為核苷酸的化合物。新技術中使用的酶切斷了一個核苷酸與另一個核苷酸之間的連線，從而在糖-磷酸軌道上形成一個缺口。

因為這種方法不需要合成精確的DNA序列，研究人員說，它的一個重要優勢是，他們可以像打孔卡一樣處理幾乎任何DNA分子。例如，他們用從現成的大腸桿菌菌株中廉價獲取的遺傳物質進行實驗，研究人員知道這些菌株的非常精確的序列。利用450個鹼基對的細菌DNA鏈，每個鹼基對包含5到10個孔洞，科學家編碼了亞伯拉罕·林肯的葛底斯堡演說的272個單詞和一個14千位元組的林肯紀念堂的影象。在他們把這些資訊放在DNA上之後，使用測序技術以很高的準確率讀取出了這些檔案。

魯賓斯坦說：“多年來，人們一直認為分子計算就是把我們在矽上所做的事情對映到分子上，從而產生了很多小題大做的裝置。相反，這項新研究表明，酶在數百萬年的進化過程中，其效率是令人難以置信的。”

科學家們希望他們的方法能比那些依靠合成DNA的方法更便宜、更快。然而，過去提出的DNA資料儲存策略仍然有一些優勢，比如儲存密度大約是穿孔卡技術的12到50倍。不過，目前DNA資料儲存的最大問題不是密度，而是成本。米倫科維奇說，“我們的成本真的很低，甚至可以更低。此外，她補充說，較老的DNA儲存系統必須包含冗餘序列，這是防止傳統DNA合成易出錯的一種保障。這一需求減少了它們實際能夠容納的資料量，縮小了它們與新技術之間的儲存密度差距。