DNA存储技术

2013
2013年的时候，历经三年时间，Ewan Birney和Nick Goldman的研究团队成功把154首莎士比亚十四行诗、一张 欧洲生物信息研究所的JPG格式图片、一份关于DNA分子结 构的PDF学术论文、马丁·路德·金演讲“我有一个梦想”的26 秒片段以及一个编码系统文档统统存进了微量的DNA里！ 并把研究成果发表在了nature上。
DNA存储技术
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内容提纲
一
什么是DNA存储技术？
二
DNA存储技术发展历程
三
DNA存储技术原理
四
DNA存储技术的优、缺点
五
DNA存储技术的应用前景
六
DNA存储技术带给我们的启发
一. 什么是DNA存储技术？
什么是DNA存储技术？
二. DNA存储技术的发展历程
2012 .9
2012 .1
2012年9月，哈佛医学院教授、著名遗传学家George Church（多届ICG大会的演讲嘉宾）的团队在Science杂志上 发表的文章表示，他们将一本5.34万字的书籍、11张图片和 一段Java程序存进了不到一沙克（亿万分之一克）DNA中。
2007
2012年1月，德国的一个联合科研团队利用三文鱼的 DNA制造出单次写入、多次读取的存储器。不过那个 DNA存储装置至多能存储30个小时，并没有利用DNA结 构进行编码。
02
随机读取困难：很难从中读取某一指定位 置的文件。
03
无法擦除重写：因为DNA存储技术的原 理决定了它是一次性存储的。
任何技术从发展到普及都是需要一个过程 的，合成DNA的成本在不远的将来一定会 达到一个人人都能接受的程度。
通过在特定位置加入特定的标记或是优化 检索算法，是可以克服这个问题的。
这个问题确实是DNA存储技术的一大痛点， 但这并不影响它光明的前景，因为我们有 很多的数据是不需要修改的，比如政府文 件、历史档案等，尤其适合DNA存储。另 外，DNA计算机技术的不断发展也让我们 看到了这一技术难题得以解决的可能性。
五. DNA存储技术的应用前景
主要针对那些不经常使用但需长 期保存的数据进行归档，如政府 文件、历史文档、记录性的影视 资料等。
数据归档
随着机器学习能力的不断 增强，其在学习过程中积 累的数据越来越多，DNA 存储技术能帮助小巧的机 器人储存海量的数据，使 其变得更“聪明”。
人工智能
DNA存储技 术的应用
DNA存储技术的优点
01
体积小、易获取：一个脱氧核苷酸分子的 长度只有1nm,一个碱基的高度只有0.34nm. 一个水分子的直径约为0.324nm。人工合成 DNA技术已经很成熟，能快速合成大量的 DNA片段。
02
存储密度大（容量大）：1gDNA能存储大 约 2PB 的 数 据 相 当 于 300 万 张 CD ， 其 它 预 测：1g=455EB，1ZB...
为了方便读取数据，研究人员还在每一个DNA片断的头部加入了特定比特的地址块（ address block），以此来记录其在原始文件中的位置。
存储编码原理(二)
在读取的时候， DNA测序仪器和计算机会按照序列索引，将DNA 中存储的信息顺序排列，并转化为计算机能够识别的数字语言。
不用担心写入和读取错误：通过一些特殊的算法处理以及采取扫 描多个备份对比纠错等措施，写入或者读取的出错率是很低的， 大概只有百万分之二。
任何能转化为HTML文件的数据都可以用DNA进行存储，存储时把 相应的HTML文件转换为01二进制文件，再转换为用生物语言ATCG 标记的DNA编码序列，然后用DNA合成器进行合成，读取时用DNA 测序仪测出DNA编码序列，然后再转换为01二进制文件，最后转 换为原来的数据文件。
四. DNA存储技术的优、缺点
03
稳定性强（存储时间长）且不用经常维护： 科学家通过实验证明在常温下DNA能存储 几千上万年，而且利用一些特殊的技术如 凝胶技术将其密封在干燥无菌缺氧的玻璃 中，并将之冷却，那么保存上百万年也是 没问题的。不用通电，节能、环保。
DNA存储技术的缺点
01
写入成本高：目前人工合成DNA的成本相 当高，这也是阻碍它市场化的最大障碍。
云存储
大数据时代，数据呈指数级 增长，现有的物理硬盘存储 扩容目标一时难以取得突破 性的进展，在存储日趋紧张 的今天，DNA存储技术仿佛 是一道希望的曙光。
以编码的DNA序列（通常意义上 计算机内存）为运算对象，通过 分子生物学的运算操作以解决复 杂的数学难题。其存储数据的方 法就是DNA存储。
DNA计算 机
未来智能 芯片
未来的智能芯片要求体积小、 容量大，但传统的冯诺依曼计 算机是将CPU和存储装置分开 的，也许解决了存储紧张问题 后，就可以打破冯诺依曼结构， 创造处理速度更快的计算机。
• 一分子脱氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子含氮 碱基组成。
DNA分子结构简介（二）
• 脱氧核糖（五碳糖）与磷酸分子借由磷 酸二酯键相连，组成其长链骨架，排列 在外侧。
• 四种碱基排列在内侧，并遵行碱基互补 配对原则：A-T,C-G。
存储编码原理(一)
DNA数字存储系统利用4个碱基“字母 ”A,T,C,G开发定制代码，完全区别于生物体 所用“语言”。
早在2007年，生物学家就把枯草杆菌作为实验对象， 将信息植入其DNA，一个细菌能够存储1/5的《圣经新 约》（该书约有100万个英文字母），数据保存时间可 达数百至数千年。
欧洲生物信息研究所
哈佛研究团队
三. DNA存储技术Байду номын сангаас理
DNA分子结构简介（一）
• DNA是一种长链聚合物，组成单位为四种脱氧核苷酸：腺嘌呤脱 氧核苷酸（dAMP ）、胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP ）、胞嘧啶 脱氧核苷酸（dCMP ）、鸟嘌呤脱氧核苷酸（dGMP ）。
具体存储方法是为：对腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)分别赋予二进 制值（胸腺嘧啶(T)和鸟嘌呤(G)=1，腺嘌呤(A)和胞嘧啶(C)=0），随后通过微流体芯片 对基因序列进行合成，从而使该序列的位置与相关数据集相匹配。当需要对数据进行读取 时，只需再将基因序列还原为二进制即可。一个编码、合成、排序、解码的过程。