祖傳的雙鏈DNA，反正閒著也是閒著，不如拿來裝書、存電影？

如果讓你給千年後的世界留下這個時代的訊息，你會選擇用什麼樣的方式呢？

寫在紙上？難以儲存。

刻在石頭上？儲存久，但容量有限。

存進電子晶片？容量大了，但長期放置不用，資料容易消失。

難道就沒有一種更靠譜的儲存介質嗎？別急，大自然早已給我們準備了一套精妙的儲存方案。

它誕生自亙古，跨越億年延用至今，各類生物紛紛表示“真香”；

它有長達521年的半衰期，讓長期儲存不是笑談；

它的裝載量驚人又不佔空間，1g就中能裝進一千億張 DVD 光碟的內容，1kg能裝下全球所有的資訊資料［1］！

沒錯，它就是譜寫生命密碼的

DNA

。

流行語我都懂，但具體要怎麼實現？| bilibili網頁截圖

“小維納斯”的誕生

DNA儲存並不是一個新鮮的概念，早在1960年代中期，蘇聯物理學家米哈伊爾·薩米奧維奇·紐曼（Mikhail Samiolvich Neumann）就大膽設想用DNA作為資料儲存載體，可惜1970年前尚不會合成DNA，甚至連怎樣閱讀生物DNA中的資訊還八字沒一撇（初代DNA測序技術到1977年才出現）。因此，在很長的一段時間裡，寫進DNA的浪漫只能在科幻故事裡出現。

真正在技術上第一次把人類文明寫進DNA，始於1988年的一場藝術與科學的碰撞。

麻省理工學院的科學藝術家喬·戴維斯（Joe Davis）參考古老的日耳曼符文，用簡單的線條設計了一個代表

生命

（

life

）

和

女性地球

（

female earth

）

的“基因藝術品” ——小維納斯（Microvenus）［2］

透過和哈佛大學的研究者合作，這個有著“繁育女神”意味的符號被轉換為簡單的二進位制程式碼（0代表亮點，1代表暗點），隨後他們按數字0或1重複的次數來定義對應的鹼基，即：

C=X，

T=XX，

A=XXX，

G=XXXX。

（例如其中的一段二進位制編碼10101011100010000100001000010000100，便被翻譯為DNA序列CCCCCCAACGCGCGCGCT。）

戴維斯將這段編譯著符文的DNA匯入大腸桿菌中，伴隨著大腸桿菌的每一次複製分裂，“小維納斯”便成為永生的藝術。

戴維斯在論文中展示的“小維納斯”形象 | 參考文獻［2］

“打破印刷記錄”的丘奇之書

隨著21世紀的到來，DNA合成和測序技術也有了跨時代的飛躍。當科學的齒輪咬合，技術這架馬車緩緩啟動，曾經前衛的藝術品便成為了拉動變革的那隻手。

DNA儲存量和電子儲存的比較 |

Nature

2012年，哈佛大學的合成生物學家喬治·丘奇（George Church）率先率領團隊將自己的一本659kb的書順利存進了DNA中，這便是在合成生物學領域頗具盛名的

丘奇之書

，這本書中有53426個單詞，11個JPG影象和一個JavaScript程式［3］。

只需要透過DNA測序技術重新獲得鹼基排列順序，再反向把鹼基翻譯回二進位制，就可以透過電子裝置進行閱讀啦

。

這裡還有一個有趣的梗，因為含有丘奇之書的DNA 被匯入了大腸桿菌，並透過大腸桿菌的增殖得到了 900 億份複製品，於是這本書真真切切的成了出版史上被

“印刷”次數最多的一本書

！

丘奇對DNA儲存領域的貢獻並未止步於增加“書”的厚度，他與及合作們還實現了從文字資訊儲存到影片資訊儲存的突破。

借鑑天然狀態下三鹼基編碼20種氨基酸及終止密碼子，丘奇等人將21種顏色資訊與三種鹼基的排列進行組合對應（下圖），再命令C=00， T=01， A=10，G=11，將鹼基序列轉化為二進位制序列（下圖）［4］。透過這種方式，丘奇等人順利實現了圖片儲存。

丘奇等人使用的圖片編譯方法 | 參考文獻［4］

丘奇等人編碼所用圖片及從DNA序列中重新解碼後獲得的結果 | 參考文獻［4］

透過進一步精簡編譯方式，直接用四位二進位制數對應三個鹼基的組合，丘奇團隊還將一張“奔跑的馬”的GIF格式的小動畫存進了DNA裡。

丘奇等人使用的GIF編譯方法 | 參考文獻［4］

“奔跑的馬“GIF | 參考文獻［4］

推動DNA儲存技術發展的並不只有丘奇的團隊，其他諸多研究團隊也做出了傑出的貢獻。而被寫入DNA中的，不乏許多非常有紀念意義的歷史資料，譬如

DNA的莎士比亞的十四行詩

、

馬丁•路德金的演講原聲

等等，這些或許也是科學家們的赤子之心吧。

散發著工業的氣息的“斯坦福兔兔”

想讓DNA儲存從實驗室走到尋常百姓家，合適的DNA“容器”必不可少。畢竟讓大家在家裡培養大腸桿菌、提取DNA不太現實。

那麼，未來的DNA儲存器會是什麼樣子的呢？

兔兔那麼可愛，不如就把它做成兔兔吧！

3D列印斯坦福兔子GIF | 參考文獻［5］

2020年，一隻看似平平無奇的3D列印版斯坦福兔子（Stanford Bunny，是一個常用的計算機圖形三維測試模型）在蘇黎世聯邦理工學院的實驗室中誕生［5］。

在這隻兔兔的身體裡嵌著數以萬計微小珠子，而每顆珠子內都有幾十個DNA 分子，科學家們將列印兔兔的藍圖直接存進了這些DNA裡，因此這隻兔兔的體內包含著3。7億份“克隆”自己的資料程式碼。

從它身上取下一小塊，獲得DNA，再解碼並複製其中的資訊，便能製作出下一代的兔兔

（

沒錯，就是套娃兔行為！）。

這便是蘇黎世聯邦理工學院羅伯特·格拉斯（Robert Grass）和以色列亞尼夫·埃利希（Yaniv Erlich）實驗室的DoT（DNA of Things）構架，即將DNA分子融合到一種功能性材料中，從而建立具有儲存功能的實物，除了斯坦福兔兔，這些科學家們還製作出存有影片的眼鏡。

內含DNA的3D列印兔 | 參考文獻［5］

這項技術的魅力不僅在於實現了DNA儲存的實體化，更在於其中使用的“DNA噴泉（DNA Foutain）”保障了極高的儲存量和容錯量，使得缺失了80%的資訊依然可以正確解碼檔案。複製到第五代的兔子依然儲存著和初代完全一樣的外形，這就說明資訊在經過五輪的傳遞依舊高保真！

兔兔經過多代複製後儲存穩定 | 參考文獻［5］

新時代前的巨石

斯坦福兔兔或許能帶著我們蹦蹦跳跳的闖進DNA儲存的新時代，但前方依舊有不少難題亟待科學家們解決。

第一道門

檻就是價格，當前的DNA儲存實在是太燒錢了！

要知道，DNA目前的合成成本在3元一個鹼基！在建國70週年時，華大基因曾將記錄著開國大典的一段影片存進了DNA裡，僅僅十幾kb就花費了近四萬元人民幣！

但是希望還是有的，華大基因公司預測DNA合成成本正以每年3-4倍的速度下降，美國Catalog公司也大膽預測未來進行1MB資料DNA儲存成本將不到0。001美分。

目前的DNA儲存技術還十分“燒錢” | Pixabay

其次，

DNA儲存及讀取的速度都不如人意

，目前比較快的記錄是Catalog公司存入資料的速度4Mbps，儘管一天便可裝滿一個手機的記憶體，但顯然還有很大的提升空間。

DNA儲存還有一個非常令人頭疼的問題，那就是

不方便靈活的儲存及呼叫，更難以修改

，雖然現在研究員們已經想到了透過加標籤序列的方式提高資訊讀取的效率，但具體運用還有不小的阻礙。

無論如何，我們不妨保持著樂觀美好的幻想，也許在不久的將來，我們便可以在贈與心愛之人的玫瑰中寫入DNA編碼的告白。

《月色真美》劇照

參考文獻

［1］

Extance， A。J。N。， How DNA could store all the world‘s data。 2016。 537（7618）： p。 22-24。

［2］ Davis， J。， Microvenus。 Art Journal， 1996。 55（1）： p。 70-74。

［3］ Church， G。M。， Y。 Gao， and S。 Kosuri， Next-Generation Digital Information Storage in DNA。 Science， 2012。 337（6102）： p。 1628。

［4］ Shipman， S。L。， et al。， CRISPR–Cas encoding of a digital movie into the genomes of a population of living bacteria。 Nature， 2017。 547（7663）： p。 345-349。

［5］ Koch， J。， et al。， A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory。 Nature Biotechnology， 2020。 38（1）： p。 39-43。

作者：一隻哈代

編輯：Yuki

排版：洗碗