[敦煌壁画修复技术数字化技术]天津大学研究团队将10幅敦煌壁画“改造”dna存储方式

科幻大片《侏罗纪公园》讲述了一个故事:科学家发现了一块带有史前蚊子的琥珀,从蚊子的血液中获得了恐龙的基因,从而复活了灭绝了6000多万年的恐龙。

恐龙的生物信息存储在DNA中,若干年后提取并恢复。这听起来很有道理,但也让人倒吸一口凉气。

近日,天津大学的一项研究成果让人们更加接近想象。该校合成生物学团队将10幅精选的敦煌壁画储存在DNA中,通过加速老化等实验发现,这些壁画的信息在室温下可以保存数千年,在9.4下可以保存2万年。

小小的DNA有着惊人的存储能力。

人类文明史也是一部信息存储技术史。

从打结的绳子仓库里的写字,到磁带硬盘等现代磁光存储技术,数据存储帮助人类延续思想,记录灿烂的文明。随着造纸术和印刷术的发明,人类能够存储的数据量在几百年间增加了大约五个数量级。计算机时代,人类产生的数据呈爆炸式增长。

“世界各地都在建数据中心,数据中心的能耗惊人。”金苑说。人们在不断寻找更海量更稳定更安全的存储方式。

大自然鬼斧神工的奇妙之处在于,——最好的记忆可能就藏在生物体内。

自从地球上出现生命以来,大自然已经使用DNA存储信息超过30亿年了。人的五官是怎么摆在脸上的,体内的蛋白质是怎么合成的,眼睛是什么颜色.人类基因组如此复杂的信息,记录在比细胞小得多的DNA上,一代代被使用。

不同于各种人工存储装置,DNA极其精致却又如此耐用。它储存了亿万年无数生物的遗传信息,产生了生命繁衍进化和生物多样性。

那么,如果把海量的信息“写入”一个u盘硬盘之类的小DNA里,岂不是一举多得?事实上,当人类发现DNA的双螺旋结构时,美国和俄罗斯的科学家就相继提出了利用DNA存储数字信息的概念。

袁解释说,与磁光电等传统信息存储介质相比,DNA存储有三个最显著的优势。最大的优势在于存储密度高。目前,天津大学的研究团队已经在DNA中存储了一些经典的视频片段,体积存储密度比普通硬盘高6个数量级。

同时,存储的信息在很长时间内都是可用的。这一次,研究人员将10幅敦煌壁画的信息储存在DNA中。结合创新算法,DNA分子可以在室温下保存一千年以上,在9.4下保存2万年。

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这种长期保存需要低能耗。元金认为,DNA存储被视为一种潜力巨大的存储技术,成为应对数据存储增长挑战的新机遇。

壁画“改造”DNA需要几个步骤。

DNA存储的原理分为两步:信息写入和信息读取。

事实上,这个过程跨越了一个极其困难的鸿沟:它打破了有机和无机的界限,连接了生命和信息两个系统。

DNA是脱氧核糖核酸的缩写,包含“A”“T”“C”“G”四个碱基。如果数字0123分别代表一个基数,就形成了四进制的存储方式,类似于计算机采用的二进制码0和1。

通过编码变换,“基础四进制”和“计算机二进制”可以实现“对话”。天津大学合成生物学前沿科学中心的博士生韩明哲解释说,壁画的数字图像本质上是二进制位串。“我们通过编码将这些二进制位串转化为四进制ATGC碱基序列,再通过DNA合成技术将碱基序列写入DNA,壁画的数据图像就‘变’成了DNA。”

此前,该团队在酿酒酵母中成功合成了一条额外的人工染色体,并在其上存储了两张图片和一条视频信息,被称为“酵母CD”。随着酵母的不断繁殖和扩张,数字信息被复制c

“我们已经对酵母进行了100代的传代培养,我们仍然可以完美地恢复原始数据。”袁说,如果脑洞大一点,把信息储存在一棵树上,随着这棵树生长几千年,人类的后代总能从这棵树上读出几千年前储存的信息。

这一次,这个年轻团队的创新之处在于,它可以在更差的阈值下可靠地读取信息。韩明哲说,保存有壁画信息的DNA实际上与天然DNA在性质上没有什么不同,也存在一些因长期保存而导致的断裂降解等问题,影响了信息存储的长期可靠性,这也成为亟待解决的关键科学问题。

因此,他们设计了一种基于Desble理论的序列重建算法来解决DNA断裂等问题,该算法可以从严重降解的DNA样本中恢复原始信息。

为了验证数据的长期可靠性,团队在没有任何特殊保护的情况下,制备了一个DNA水溶液样本,然后在70下加速样本断裂和降解,时间长达十周。韩明哲说,“这个过程使80%以上的DNA片段断裂,模拟了DNA在自然环境中数千年的降解过程。”

随后,团队依靠设计的序列重建算法,仍能准确组装解码出96.4%以上的碎片,再通过一种编码方法解决了少量碎片丢失的问题,从而完美还原出敦煌壁画原图。

DNA存储离实用还有多远?

该团队分析了当前DNA信息存储面临的主要挑战。信息存储成本高信息读写速度慢无法高效连接现有信息系统是三大主要限制因素。

根据计算,目前DNA存储和写入的成本相当于80年代内存存储的成本,需要降低7-8个数量级才能达到目前数据存储的成本。

" DNA信息存储的成本在未来有很大的降低潜力."韩明哲认为,在未来,通过优化合成反应改进芯片结构更换廉价耗材和优化试剂分布,可以大大降低合成成本。

同时,由于信息存储的市场规模巨大,随着半导体器件和微纳加工在DNA信息存储领域的应用,该领域的巨额投资将对DNA合成技术产生重大影响。DNA合成技术和设备的快速迭代升级也有望快速降低成本。

DNA信息存储的读取依赖于测序技术,读取速度比磁光电存储慢。目前DNA测序仪的读取速度比硬盘低3-4个数量级。——现有的电磁存储技术通常每秒可以读取几十到几百兆的数据。此外,DNA存储的标准尚未建立,它面临着与现有数字存储系统兼容的问题。

" DNA信息存储是多学科交叉融合的新兴研究方向."袁认为,DNA存储很可能成为未来海量冷数据存储的主要存储介质。

所谓冷数据,就像档案中的历史数据一样,需要保存大量的信息,但平时很少用到。由于这些数据需要长时间存储,消耗大量能量,而电子存储设备的寿命往往只有十几到几十年,而且需要不断更新迭代,很难满足冷数据存储的需求。

DNA存储的实际应用仍然面临许多挑战。袁认为,目前的突破可能只是冰山一角。"技术进步需要十年的耐心和一点运气."


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