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DNA儲存技術

用生命儲存資訊的系統可以處理超大量資訊。

根據美國軟體公司Domo的資料,2018年的每一分鐘,人們在Google引擎上有388萬次的搜尋,在YouTube上觀看433萬部影片、發送了1億5936萬2760封電子郵件、在推特發文47萬3000篇、在Instagram上發佈4萬9000張照片;到了2020年,假設全球人口有78億,每人每秒將產生1.7百萬位元組(MB)的數據,一年總共約有418皆位元組(ZB),相當於4180億個兆位元組(TB)硬碟的數據量。倘若如此,目前採用的磁性或光學儲存系統,能夠繼續存放由許多0和1構成的大量數據的時間將不超過一個世紀,此外數據中心的運作也會消耗大量能源。簡而言之,人類將面臨嚴重的數據儲存問題,且會隨著時間演進越來越嚴重。

以DNA為基礎的數據儲存技術正在發展中,可望成為取代硬碟的方法。DNA是儲存生命資訊的材料,由A、T、C、G四種核苷酸組成長鏈分子。用這些字母排序來儲存數據,使DNA成為新型式的資訊科技。DNA的定序(讀取)、合成(寫入)成為常規,且容易精確複製;50萬年前的馬化石至今仍保有完整基因組序列,DNA分子的驚人穩定性可見一斑。此外,儲存DNA不需太多能量。

DNA儲存技術的亮點在於容量,DNA能準確儲存大量資訊,其密度遠遠超越電子設備。根據哈佛大學邱契(George Church)及同事在2016年發表於《自然.材料》(Nature Materials)上的計算,構造簡單的大腸桿菌,其儲存密度為每立方公分1019位元,在這樣的密度下,邊長一公尺的DNA立方體可以滿足全世界一整年的儲存需求。

DNA數據儲存的前景不是嘴上說說而已,2017年,邱契的研究團隊應用CRISPR剪輯技術,把人手的圖像記錄到大腸桿菌的基因組中,讀取圖像的準確率超過90%。華盛頓大學及微軟研究所的研究人員也開發出全自動系統,用於寫入、儲存及讀取DNA編碼的數據。包括微軟和生技公司Twist在內的許多公司都正在努力發展DNA儲存技術。

研究人員正在努力了解巨量資料,嘗試以DNA技術發展不同的數據管理方式。次世代定序技術最近又有新進展,能同時讀取數十億個DNA序列,藉由這項技術,研究人員可以使用條碼(用DNA序列做為分子識別標籤)來追蹤實驗結果,現在化學工程、材料科學及奈米技術等領域都運用DNA條碼加快研究速度。美國喬治亞理工學院的達爾曼(James E. Dahlman)實驗室正迅速找出更安全的基因療法,其他研究則包括如何避免抗藥性並預防癌症轉移。

成本和讀寫DNA的速度,阻礙了DNA數據儲存技術普及化。如果要與電子儲存技術競爭,必須進一步降低成本。DNA就算沒有成為普及的儲存材料,也會被用來產生全新尺度的資訊,長期保存某些類型的資料。
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