【原】DNA可存储信息，机器人也能自我复制吗？

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提起信息数据的存储，人们一般想到硬盘、光盘、U盘，或者以前的磁带、录像带。但是近几年出现的一种新兴技术探索方向，你或许想不到，那就是大自然最古老的、迄今容量最大的存储媒介——DNA。

每周，全球科技投资人、海银资本创始合伙人王煜全都会在得到app的知识城邦平台，为大家分享一家科技公司，以及一门前沿技术。而在前不久的知识城邦上，王煜全就对DNA存储技术进行了深入的分析。

▏能当磁盘的DNA：信息存储的新方案

DNA存储技术属于合成生物学的范畴，也就是人工合成的DNA来存储数据。其实原理非常容易理解，现在的计算机存储技术是把数据转换为0和1的二进制数据，而DNA存储是靠4种碱基数据（A、T、C、G），用合成技术把DNA合成出来。想读取的时候呢，就对这段DNA做测序。

上世纪以来，科学家就萌生了用DNA的4种碱基来存储数据的想法。2017年哈佛大学的George Church教授就把一部电影的数据存储在了活的大肠杆菌的DNA里。不过现在的大部分研究都是合成DNA干粉，而不是活的细胞里。

Church 教授存储的电影数据

2019年12月9号《自然 - 生物技术》（Nature Biotechnology）上最新发表的一篇论文，把DNA信息存储技术向前推进了一大步。这篇论文提出了“万物 DNA”（DNA-of-things，DoT），也就是“世间万物都可以用来存储DNA”的理论。两位通讯作者（项目的主导者）分别是基因检测公司MyHeritage首席科学家、哥伦比亚大学副教授Yaniv Erlich，以及苏黎世联邦理工学院功能材料实验室教授Robert Grass。

在研究中，人工合成的DNA片段被封装进纳米尺度的二氧化硅小球内，把这些小球混合到一种可塑性的3D打印塑料里（打印技术简称FDM，融化成型），然后打印成一个3D的兔子模型，这只兔子模型就实现了数据的DNA存储。

刚才只是实现了DNA的封装，如果要获得数据呢，还需要进行读取。在DNA读取的研究中，研究人员把3D打印兔子中的DNA提取出来，进行扩增，把兔子进行复制。从第1代兔子复制到了第5代，没有任何信息损失。论文里显示，第四代和第五代之间相隔了整整9个月，DNA 信息一直保持高保真性和稳定性。除了3D打印兔子，研究人员还把一段DNA信息装进树脂玻璃材料内，然后用这种材料制造了一副眼镜。

实验所用的3D打印机名为Ultimaker，是一家荷兰公司。在FDM技术路线的3D打印上（也就是打印塑料，融化挤出成型），Ultimaker公司可以说是该技术路线的鼻祖。科学家利用产业界提供的先进设备，双方协同合作，从而实现了研究项目的顺利完成。

Ultimaker 3D打印机里的兔子模型

相信你现在理解论文中提到的“万物 DNA”是什么意思了。在我们目前的存储技术中，硬盘、磁带、光盘…..都是固化下来的形态，时间长了有可能老化，还存在不兼容的问题。而 DNA这种存储方式则不受任何形状限制。理论上你能想到的任何物件，DNA存储都可以实现。

这项研究的两位主要教授都有自己擅长的研究领域。Yaniv Erlich教授负责DNA数据的存储，他是纽约基因组中心核心成员，专注于DNA数据存储的研究。2017年，他把完整的计算机操作系统、电影及其它类型的文档。存储在了合成DNA中，发表在Nature上。

Yaniv Erlich教授

另一位是Robert Grass教授，他的强项是纳米材料领域，在这项DNA存储研究中，他主要专注在把DNA 封装到材料中的研究。

Robert Grass教授

这个DNA存储技术已经有专利布局了。Yaniv Erlich拥有DNA 存储领域的专利；苏黎世联邦理工学院拥有 DNA 封装的专利；两位教授都是“万物 DNA”（DoT）专利申请的发明人。

▏未来装有DNA的机器人，或能实现自我复制

这项技术的应用前景，主要有三个方面。第一就是前面提到的，我们可以把任何物体当做DNA存储的介质。比如，把牙科植入物患者的病例信息存储在植入的牙齿里，30年后电子病历可能已经没了，而牙齿里的信息还完好无损；把汽车所有零部件的数据存储在汽车部件里，如果说汽车有什么部件损坏了，直接读取数据就可以生产一模一样的部件。

第二就是信息加密。由于世间万物皆可作为存储介质，那么想盗窃数据的人就麻烦了，因为他不知道加密信息是在哪个物品里。就算他找到了存储DNA的介质，读取和检测DNA也不是一件容易的事，需要很高的技术门槛和专业的仪器设备才能完成。

第三个应用离我们相对遥远，也是Erlich教授所畅想的那样，可以用来制造自我复制的机器人。现在的机器人是没办法自我复制的，但是DNA是可复制的，那么把合成DNA与机器人一结合，机器人可以复制创造出跟自己功能一样的机器人，且DNA数据信息可以完好无损地一代一代传下去。听着是不是很像未来的智能制造场景？

那么，DNA存储是否是未来有竞争力的解决方案呢？王煜全在《创新生态报告》里介绍过，科研追求理论突破，而从实验室成果变成实际可用的产品，还需要经历漫长的技术优化过程。就算科研成果再先进，投入不了市场的话，热闹热闹也就结束了。所以，要想真正得到应用，仅仅有科研的突破是不够的，还要综合考虑应用的效率、成本等方面。

就这个DNA存储技术来讲，首先是效率慢，现在的DNA存储技术的合成和读取都很慢，光是合成就要耗费好几周的时间，而传统的磁盘几秒就可以存储和读取了。其次是DNA存储的成本太高了，跟磁盘存储相比差了上百万、甚至近一亿倍。所以，DNA存储现在还不能像硬盘那样随时随地写入或读取信息。

存储容量对比（图片来源：Nature）

王煜全

全球科技创新产业专家、海银资本创始合伙人

关于未来DNA存储的一个发展方向，我认为是向器械化、小型化发展。现在的DNA测序设备已经越做越小，如果能够跟DNA的存储技术相结合，实现标准化、流程化的操作，那么未来DNA存储实现消费级的应用还是有可能的。未来值得期待，但是我们今天只是走了万里长征的第一步。

在国外，微软研究院、华盛顿大学的DNA存储技术已经走在了前列，但是在国内还处于刚起步阶段。留给大家的一个思考是，我们在基础研究上能不能加强？现在的合成生物学甚至整个生物科技产业，基础研究和产业的结合只会越来越紧密。高校负责科研，企业负责产品转化，推向市场。

我们能不能产业和高校紧密结合，未来能不能有原创性的突破？这是值得我们创业者、投资人、研究人员一起去思考的。基础研究的突破能够壮大产业，产业起来了也能够反哺基础研究，中国的生物科技才能真正强大起来。