用DNA来存储数据：一颗蛋储存全世界

在人类发明硬盘前的几十亿年，演化便已选择DNA来储存最珍贵的信息：遗传密码。曾几何时，DNA对于这项任务变得如此驾轻就熟，地球上所有已知的生命形式都使用DNA。近来由于技术突破，我们可以轻松「读」、「写」DNA，而现在科学家正在开发这古老分子的崭新用途，用来储存新型态的信息——人类在海量资料时代以指数速率产生的数据。

利用DNA来储存遗传密码之外的信息，这个概念已受到广泛讨论，毕竟0与1的电脑编码正面临物理限制。如何安全储存人类制造的所有信息，是我们面临的重要挑战，最近正好有个例子可说明：一度最受欢迎的社群网路MySpace宣布，他们在一次服务器迁移计画中遗失了10年份的资料，且可能无法挽救。我们保护长期信息的方式暴露了现行科技的脆弱与笨重，例如电脑休眠一段时期之后需重新启动。这不只是空间问题，维持信息储存也需要耗费很多能量。

DNA的特性具有解决这些问题的潜力，例如DNA的双螺旋结构非常适合信息储存，因为只要知道其中一股的序列，自然就会知道另一股。若DNA能够长期保持稳定，就代表可以长期维持信息的完整性和精确度。举例来说，2017年科学家从8100年前的古老人类遗骸中，成功分析了从中萃取出的DNA，即使这具遗骸没有保存在理想状态下。如果把DNA保存在干燥凉爽的环境中，将可留存好几万年。

此外，双螺旋最吸引人之处，或许在于它能折叠成非常紧密的结构。每一个人类细胞都含有一个直径约10微米的细胞核，如果把细胞核中的DNA完全伸展开来，长度可达2米。换句话说，如果把一个人体内的DNA全部串在一起，可以延伸100兆米。2014年科学家计算，理论上一克的DNA可储存455艾字节（exabyte，相当于10亿GB）的信息。这样的信息储存密度，大约是硬盘的100万倍。

虽然DNA已经被视为一种储存方式，不过要用它取代传统硬盘，仍需克服科学、经济和伦理上的庞大障碍。目前DNA已广泛运用在信息科技领域，例如用来记录好莱坞的老电影，也就是把经典老片保存在遗传密码中，而不是脆弱的微缩胶卷里。近来DNA成为更安全的基因疗法研发工具，加速抗癌药物的发展；甚至可用于记录生物的基因表现状况。在这个领域最尖端的运用上，DNA不只能做为信息长期储存的媒介，更能以前所未有的速度产生信息，因为DNA在产生和储存两方面，都比其他分子更具扩充性，让我们可以大量产生信息，同时也大幅减少储存信息所需的资源。

当DNA条码遇上纳米粒子

近年来，各领域科学家越来越常使用DNA做为分子记录器，以了解并追踪实验结果。在许多例子中，这个过程利用了「DNA条码」（DNA bar coding）：为了标记和追踪个别实验结果，科学家使用一个已知的DNA序列做为分子标签，例如一个实验结果可标记为ACTATC的DNA序列，而另一个则可能是TCTGAT。

在1990年代早期DNA条码就已出现，当时美国斯克里普斯研究院（Scripps Research Institute）的勒纳（Richard Lerner）和已故的布蓝纳（Sydney Brenner）提出一种使用DNA序列来追踪化学反应的方法。他们的概念十分创新而超越时代，但当时的技术还没发展到能够简单又便宜地读取DNA，直到许多科学家在核?酸化学、微流体学与其他领域上的贡献催生出「次世代定序」（next-generation sequencing）后，DNA条码的潜力才为世人所知。于是DNA读取在2005年出现重大突破，研究人员的论文显示，他们在四小时的实验中成功分析了2500万个DNA碱基。

次世代定序持续演进，现在已可同时读取数百万个DNA序列，表示研究者可同时进行几千个实验并加以分析。使用次世代定序分析DNA条码，已成为一种资料管理的形式：比起一次测试一种想法，现在科学家可做出两万种预测并同步找出正解。

最先开始广泛利用DNA条码的是生物学家，而随着次世代定序操作变得更加便利，诸如化学工程、材料科学等不同领域的研究者也开始使用这项技术，在极小尺度下进行实验。举例来说，我在美国乔治亚理工学院主导的实验室中，工程师用DNA条码改进纳米粒子的设计和功能，以便把药物安全递送到生病的细胞。纳米技术主要仰赖的是物理和化学工程，这看似与DNA毫不相干，但当你把DNA想成一种追踪和储存信息的方法，就能清楚了解如何利用它做为一种整合工具。

纳米技术学家所面对的一个根本问题，就是在寻找有效疗法时，设计实验仍然比执行与分析结果要简单得多。这是因为个别纳米粒子的形状、大小、电荷、化学组成和其他变项，都可能影响它们把遗传药物递送到病变细胞的效果。再者，这些因子彼此也会交互作用，使得研究者很难判断哪一种纳米粒子会以最符合目标的方式递送药物。有一项直接的解决方法是个别评估每种纳米粒子，但从那些已经为RNA药物发展纳米粒子的大药厂所得到的经验来看，这种类型的测试可能需耗费数亿美元才能达成。

这是DNA储存能力可以大显身手的地方。为了提高纳米粒子的测试数量，我们可以设计几千种化学结构相异的粒子，例如大的、带正电的球形，或小的、不带电荷的三角形，然后给予每种粒子一个DNA条码。

比方一号纳米粒子，拥有一号化学结构，标上一号DNA条码；二号纳米粒子，拥有二号化学结构，标上二号DNA条码。我们多次重复DNA条码标记过程，借此制造出许多不同的纳米粒子，每个都拥有独特的DNA分子标签。然后我们把几百种纳米粒子送至病变细胞。为了辨识何种纳米粒子最能成功递送药物，我们使用DNA定序来量化细胞内的条码。

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