相比傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方式，DNA存儲(chǔ)具有占用空間小、獲取容易、儲(chǔ)存時(shí)間長(zhǎng)3大優(yōu)勢(shì)，但也面臨存儲(chǔ)速度慢、花費(fèi)高的弊端。隨著技術(shù)的不斷成熟，它真的能成為主流嗎？

全球每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要4180億個(gè)1TB硬盤(pán)才能放下，若是把如此龐大的數(shù)據(jù)放到DNA上，只需 1kg DNA就夠了！DNA存儲(chǔ)才是未來(lái)！

幾年前，甚至研究人員也不愿使用DNA來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@看起來(lái)過(guò)于科幻，并沒(méi)有任何實(shí)用價(jià)值。今天，我們可以使用正確的軟件和生物化學(xué)模塊擴(kuò)展PostgreSQL，并在DNA上運(yùn)行SQL。

在這個(gè)數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代，全球的數(shù)據(jù)不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們理解數(shù)字的能力（比如你知道Zettabytes是多少嗎？）更超過(guò)了我們的儲(chǔ)存能力。

一切都是數(shù)字化的，一切都越來(lái)越多地運(yùn)行在基于數(shù)據(jù)訓(xùn)練算法的應(yīng)用程序上，而這些算法反過(guò)來(lái)會(huì)產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)來(lái)為更多的下游應(yīng)用程序和算法提供信息。你懂了吧？

簡(jiǎn)單地說(shuō)，按照這種速度，很快就沒(méi)有足夠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算材料可供使用。這就是為什么人們現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始尋找替代的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的原因。使用DNA來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這聽(tīng)起來(lái)很奇怪，實(shí)際上很有意義?，F(xiàn)在，研究人員取得了突破，使他們能夠?qū)NA存儲(chǔ)整合到流行的開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)PostgreSQL中。

DNA是如何儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的？

DNA的核心是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。DNA由四種堿基組成：腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶（又名AGCT）。從這四個(gè)堿基中，DNA形成由三個(gè)核苷酸組成的基團(tuán)（稱(chēng)為密碼子）。密碼子是給我們的細(xì)胞指示蛋白質(zhì)形成的單位。

我們的信息技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施基于以位（bits）為單位的信息存儲(chǔ)（由兩位數(shù)字組成：0和1），而DNA信息存儲(chǔ)在四個(gè)潛在基本單元的串中。為了將非遺傳信息存儲(chǔ)在DNA中，我們必須首先將二進(jìn)制數(shù)據(jù)從位轉(zhuǎn)換為DNA數(shù)據(jù)（AGCT）結(jié)構(gòu)。

將Bits轉(zhuǎn)換為DNA序列

理論部分實(shí)際上相當(dāng)簡(jiǎn)單。與使用硅或磁性介質(zhì)（它們的工作原理是將狀態(tài)存儲(chǔ)為1和0的序列）相同，存儲(chǔ)A、G、C和T的序列。但是，這在實(shí)踐中是如何工作的呢？如何在DNA中寫(xiě)入和讀取數(shù)據(jù)呢？

這聽(tīng)起來(lái)可能有點(diǎn)遙不可及，但分子技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使它成為可行——盡管并不完美。

例如，微軟展示了世界上第一個(gè)自動(dòng)DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索系統(tǒng)。如果你想知道這個(gè)DNA來(lái)自哪里：這是合成DNA，產(chǎn)生它的是系統(tǒng)的一部分。

天然存在的DNA由兩條核苷酸鏈的雙螺旋的形式構(gòu)成。相反，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的DNA是單鏈核苷酸序列，也稱(chēng)為寡核苷酸（oligo），它通過(guò)化學(xué)過(guò)程合成，該化學(xué)過(guò)程一次構(gòu)建一個(gè)核苷酸。

使用DNA在現(xiàn)實(shí)世界中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

倫敦帝國(guó)理工學(xué)院 SCALE實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Heinis和Eurecom數(shù)據(jù)科學(xué)系助理教授A(yíng)ppuswamy 在創(chuàng)新數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究會(huì)議上發(fā)表了題為“ OligoArchive: Using DNA in the DBMS storage hierarchy ”的研究論文。雖然他們不是第一個(gè)使用DNA存儲(chǔ)和檢索數(shù)據(jù)的人，但他們是第一個(gè)使用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、與現(xiàn)成的數(shù)據(jù)庫(kù)集成、并超越存儲(chǔ)、實(shí)現(xiàn)計(jì)算的人。

關(guān)于DNA作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的第一件事是，每次執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，都必須合成寡核苷酸。這將如何在實(shí)踐中發(fā)揮作用？實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員是否必須待命執(zhí)行此操作，并“重新填充”用于化學(xué)過(guò)程的原材料？

并非如此，根據(jù)Appuswamy和Heinis的說(shuō)法，這是微軟通過(guò)其自動(dòng)DNA存儲(chǔ)和檢索系統(tǒng)所證明的價(jià)值所在。這表明，在沒(méi)有人參與的情況下操作這樣一個(gè)過(guò)程是可能的。就像除了維護(hù)，沒(méi)有人監(jiān)督數(shù)據(jù)中心的日常運(yùn)作一樣，這同樣適用于基于DNA的數(shù)據(jù)中心。

盡管如此，我們還遠(yuǎn)沒(méi)有用合成DNA陣列取代硬盤(pán)。首先，以這種方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的現(xiàn)代技術(shù)非常緩慢。剛開(kāi)始，科學(xué)家們花了一周時(shí)間來(lái)存儲(chǔ)一兆字節(jié)的數(shù)據(jù)。

Appuswamy和Heinis一致認(rèn)為，在這方面還需要更多的工作。但這超出了他們自己的研究范圍，所以只能等待生化合成過(guò)程進(jìn)一步提高。

首先，他們注意到存儲(chǔ)速度已經(jīng)越來(lái)越快，目前速度是每秒幾KB。雖然與SSD相比，這仍然非常緩慢，但這是一個(gè)很大的進(jìn)步。對(duì)于A(yíng)ppuswamy和Heinis的研究（即歸檔存儲(chǔ)），這實(shí)際上是可以接受的。

數(shù)據(jù)庫(kù)引擎使用三層存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)，由具有不同價(jià)格/性能特性的設(shè)備組成。性能層存儲(chǔ)高性能OLTP和實(shí)時(shí)分析應(yīng)用程序訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)。

容量層存儲(chǔ)由延遲不敏感（latency-insensitive）的批分析應(yīng)用程序訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)。歸檔層用于存儲(chǔ)很少訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)，例如，在安全合規(guī)性檢查或法律審計(jì)期間。今天磁帶通常用于這一層。

OligoArchive通過(guò)將基于磁帶的歸檔層替換為基于DNA的歸檔層來(lái)改變數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)層次結(jié)構(gòu)。合成DNA的存儲(chǔ)需要額外的措施，對(duì)于普通的設(shè)備來(lái)說(shuō)，基于DNA的存儲(chǔ)是否有效還值得懷疑。但無(wú)論如何，數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)都將進(jìn)入云端，只要你的數(shù)據(jù)安全地存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)中心，對(duì)終端用戶(hù)來(lái)說(shuō)，這都是一個(gè)黑匣子。

在DNA上運(yùn)行SQL

Appuswamy和Heinis還指出，即使它仍然很慢，DNA存儲(chǔ)提供了很大的并行處理潛力。因?yàn)樗茇S富、價(jià)格低廉 - 或者更確切地說(shuō)，我們希望它最終會(huì)是這樣。按照目前的速度，存儲(chǔ)一分鐘的高質(zhì)量立體聲將花費(fèi)100,000美元。

盡管使用合成DNA進(jìn)行大規(guī)模存儲(chǔ)仍然過(guò)于昂貴，但Appuswamy和Heinis表示，他們預(yù)計(jì)成本會(huì)下降，這是包括存儲(chǔ)技術(shù)在內(nèi)的每一項(xiàng)科技突破的典型方式。

如果合成寡核苷酸在經(jīng)濟(jì)上變得可行，那么擁有大量的合成寡核苷酸將是一個(gè)合理的預(yù)期。這意味著許多DNA存儲(chǔ)單元可以并行運(yùn)行的巨大潛力。雖然不是每種算法的每一個(gè)方面都是可并行的，但對(duì)于那些算法來(lái)說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)極大的加速。這就把我們帶到了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

直到今天，DNA一直被用于存儲(chǔ)非結(jié)構(gòu)化文件，無(wú)論是文本還是視頻，或者其他什么。Appuswamy和Heinis所做的是將DNA存儲(chǔ)整合到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。他們采用了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)基準(zhǔn)測(cè)試TPC-H中包含的數(shù)據(jù)和查詢(xún)，并在PostgreSQL實(shí)例上運(yùn)行了TPC-H。不是串行訪(fǎng)問(wèn)，而是隨意選擇數(shù)據(jù)。

使用后端的DNA在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，并通過(guò)SQL查詢(xún)，這在今天已成為現(xiàn)實(shí)。

研究人員為PostgreSQL構(gòu)建了歸檔和恢復(fù)工具（pg_oligo_dump和pg_oligo_restore），對(duì)DNA上的關(guān)系數(shù)據(jù)執(zhí)行模式感知編碼和解碼，并使用這些工具將12KB TPC-H數(shù)據(jù)庫(kù)歸檔到DNA，執(zhí)行in-vitro計(jì)算，以及再次恢復(fù)它。

這是巨大的。這意味著現(xiàn)在DNA存儲(chǔ)還可以支持SQL操作，來(lái)有選擇地訪(fǎng)問(wèn)和處理部分?jǐn)?shù)據(jù)。請(qǐng)注意，數(shù)據(jù)不會(huì)被提取到數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)執(zhí)行操作。Appuswamy和Heinis找到了一種方法來(lái)處理寡核苷酸中的SQL連接。這超出了生化儲(chǔ)存的范圍——它還需要生物化學(xué)計(jì)算。

然而，要做到這一點(diǎn)，研究人員必須處理一系列與用于編碼和解碼DNA信息的技術(shù)缺陷有關(guān)的問(wèn)題。對(duì)DNA進(jìn)行操作需要專(zhuān)門(mén)的編碼技術(shù)，這些技術(shù)可以產(chǎn)生適合生化操作的寡核苷酸。讀取DNA數(shù)據(jù)目前非常容易出錯(cuò)，以前的工作依賴(lài)于數(shù)據(jù)過(guò)度表示（over-representation）：數(shù)據(jù)被寫(xiě)在許多副本中，因此如果原始數(shù)據(jù)被破壞，備份還在。

相比之下，Appuswamy和Heinis依賴(lài)于元數(shù)據(jù)。他們利用數(shù)據(jù)庫(kù)模式感知，在編寫(xiě)的塊中添加一些額外的數(shù)據(jù)位。研究表明，這可以在編碼（寫(xiě)入）過(guò)程中提高密度，并有助于在解碼（讀?。┻^(guò)程中識(shí)別錯(cuò)誤。他們注意到這比預(yù)期效果更好。

DNA是數(shù)據(jù)的未來(lái)嗎？

盡管部分技術(shù)還不成熟，但這是一個(gè)重大突破。擁有足夠的數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)空間已經(jīng)成為一個(gè)game changer。但是，將像DNA這樣豐富的東西作為一種可行的存儲(chǔ)和計(jì)算介質(zhì)的意義可能會(huì)超出我們的想象。

這可能只是朝這個(gè)方向邁出的第一步，但每一個(gè)旅程都從第一步開(kāi)始，Appuswamy和Heinis并不是獨(dú)行者。

Eurecom，CNRS，ICL，UCA以及DNA合成初創(chuàng)企業(yè)Helixworks已獲得歐盟資助，以進(jìn)一步開(kāi)展DNA儲(chǔ)存研究。該系統(tǒng)將被設(shè)計(jì)成支持?jǐn)?shù)據(jù)編碼的全自動(dòng)循環(huán)，將其合成為DNA，并通過(guò)序列讀取數(shù)據(jù)。它將存儲(chǔ)各種不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型，并在存儲(chǔ)和精確檢索數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)現(xiàn)近距離數(shù)據(jù)處理。

將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DNA中的進(jìn)一步研究將由歐盟資助

Appuswamy和Heinis提到，到目前為止，主要是其他研究人員對(duì)這個(gè)感興趣，至于說(shuō)公司，微軟似乎比任何公司都表現(xiàn)出了更多的興趣。

掌握這項(xiàng)技術(shù)可能意味著擁有未來(lái)，因?yàn)檫@一領(lǐng)域的突破將產(chǎn)生巨大的影響。Appuswamy和Heinis指出，這表明了人們的態(tài)度：

“幾年前，人們會(huì)認(rèn)為這太離譜了。今天，當(dāng)我們告訴他們我們正在做什么時(shí)，他們會(huì)說(shuō)——多告訴我們一些”。