1、DNA存儲技術copyrightSYSU 包崇學內容提綱一一二二三三四四什么是DNA存儲技術？DNA存儲技術發展歷程DNA存儲技術原理DNA存儲技術的優、缺點DNA存儲技術的應用前景DNA存儲技術帶給我們的啟發五五六六一. 什么是DNA存儲技術？什么是DNA存儲技術？二. DNA存儲技術的發展歷程20132012.92013年的時候，歷經三年時間， Ewan Birney 和Nick Goldman的研究團隊成功把 154首莎士比亞十四行詩、一張歐洲生物信息研究所的 JPG格式圖片、一份關于 DNA分子結構的PDF學術論文、馬丁 路德金演講“ 我有一個夢想 ” 的26秒片段以及一個編碼系統文檔

2、統統存進了微量的DNA里！并把研究成果發表在了 nature上。2012.12012年9月，哈佛醫學院教授、著名遺傳學家 George Church（多屆ICG大會的演講嘉賓）的團隊在 Science雜志上發表的文章表示，他們將一本 5.34萬字的書籍、 11張圖片和一段Java程序存進了不到一沙克（億萬分之一克） DNA中。20072012年1月，德國的一個聯合科研團隊利用三文魚的DNA制造出單次寫入、多次讀取的存儲器。不過那個DNA存儲裝置至多能存儲 30個小時，并沒有利用 DNA結構進行編碼。早在2007年，生物學家就把枯草桿菌作為實驗對象，將信息植入其 DNA，一個細菌能夠存儲 1/5

3、的圣經新約（該書約有 100萬個英文字母），數據保存時間可達數百至數千年。歐洲生物信息研究所哈佛研究團隊三. DNA存儲技術原理DNA分子結構簡介（一）?DNA是一種長鏈聚合物，組成單位為四種脫氧核苷酸：腺嘌呤脫氧核苷酸（dAMP ）、胸腺嘧啶脫氧核苷酸（dTMP ）、胞嘧啶脫氧核苷酸（dCMP ）、鳥嘌呤脫氧核苷酸（dGMP ）。?一分子脫氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脫氧核糖和一分子含氮堿基組成。DNA分子結構簡介（二）?脫氧核糖（五碳糖）與磷酸分子借由磷酸二酯鍵相連，組成其長鏈骨架，排列在外側。?四種堿基排列在內側，并遵行堿基互補配對原則：A-T,C-G。存儲編碼原理(一)DNA數字存儲系

4、統利用 4個堿基“字母” A,T,C,G開發定制代碼，完全區別于生物體所用“語言” 。具體存儲方法是為：對腺嘌呤 (A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶 (T)分別賦予二進制值（胸腺嘧啶 (T)和鳥嘌呤(G)=1，腺嘌呤(A)和胞嘧啶(C)=0），隨后通過 微流體芯片對基因序列進行合成，從而 使該序列的位置與相關數據集相匹配 。當需要對數據進行讀取時，只需再將基因序列還原為二進制即可。一個編碼、合成、排序、解碼的過程。為了方便讀取數據，研究人員還在每一個 DNA片斷的頭部 加入了特定比特的地址塊（address block ），以此來記錄其在原始文件中的位置。存儲編碼原理存儲編碼原理(二

5、二)在讀取的時候，在讀取的時候， DNA測序儀器和計算機會按照序列索引，將測序儀器和計算機會按照序列索引，將 DNA中存儲的信息順序排列，并轉化為計算機能夠識別的數字語言。中存儲的信息順序排列，并轉化為計算機能夠識別的數字語言。不用擔心寫入和讀取錯誤：通過一些特殊的算法處理以及采取掃不用擔心寫入和讀取錯誤：通過一些特殊的算法處理以及采取掃描多個備份對比糾錯等措施，寫入或者讀取的出錯率是很低的，描多個備份對比糾錯等措施，寫入或者讀取的出錯率是很低的，大概只有百萬分之二。大概只有百萬分之二。任何能轉化為任何能轉化為HTML文件的數據都可以用文件的數據都可以用DNA進行存儲，存儲時把進行存儲，存儲時

6、把相應的相應的HTML文件轉換為文件轉換為01二進制文件，再轉換為用生物語言二進制文件，再轉換為用生物語言 ATCG標記的標記的DNA編碼序列，然后用編碼序列，然后用DNA合成器進行合成，讀取時用合成器進行合成，讀取時用 DNA測序儀測出測序儀測出DNA編碼序列，然后再轉換為編碼序列，然后再轉換為01二進制文件，最后轉二進制文件，最后轉換為原來的數據文件。換為原來的數據文件。四. DNA存儲技術的優、缺點DNA點點存儲技術的優存儲技術的優01體積小、易獲取： 一個脫氧核苷酸分子的長度只有 1nm,一個堿基的高度只有 0.34nm.一個水分子的直徑約為 0.324nm。人工合成DNA技術已經很成

7、熟，能快速合成大量的DNA片段。02存儲密度大（容量大）： 1gDNA能存儲大約2PB的數據相當于 300萬張 CD，其它預測：1g=455EB，1ZB.03穩定性強（存儲時間長）且不用經常維護：科學家通過實驗證明在常溫下DNA能存儲幾千上萬年，而且利用一些特殊的技術如凝膠技術將其密封在干燥無菌缺氧的玻璃中，并將之冷卻，那么保存上百萬年也是沒問題的。不用通電，節能、環保。DNA點點存儲技術的缺存儲技術的缺01寫入成本高： 目前人工合成 DNA的成本相當高，這也是阻礙它市場化的最大障礙。02隨機讀取困難： 很難從中讀取某一指定位置的文件。03無法擦除重寫： 因為DNA存儲技術的原理決定了它是一次

8、性存儲的。任何技術從發展到普及都是需要一個過程的，合成 DNA的成本在不遠的將來一定會達到一個人人都能接受的程度。通過在特定位置加入特定的標記或是優化檢索算法，是可以克服這個問題的。這個問題確實是 DNA存儲技術的一大痛點，但這并不影響它光明的前景，因為我們有很多的數據是不需要修改的，比如政府文件、歷史檔案等，尤其適合DNA存儲。另外，DNA計算機技術的不斷發展也讓我們看到了這一技術難題得以解決的可能性。五. DNA存儲技術的應用前景主要針對那些不經常使用但需長期保存的數據進行歸檔，如政府文件、歷史文檔、記錄性的影視資料等。數據歸檔隨著機器學習能力的不斷增強，其在學習過程中積累的數據越來越多，

9、DNA人工智能存儲技術能幫助小巧的機器人儲存海量的數據，使其變得更“ 聰明” 。云存儲DNA存儲技術的應用大數據時代，數據呈指數級增長，現有的物理硬盤存儲擴容目標一時難以取得突破性的進展，在存儲日趨緊張的今天，DNA存儲技術仿佛是一道希望的曙光。以編碼的DNA序列（通常意義上計算機內存）為運算對象，通過DNA計算機未來智能芯片分子生物學的運算操作以解決復雜的數學難題。其存儲數據的方法就是DNA存儲。未來的智能芯片要求體積小、容量大，但傳統的馮諾依曼計算機是將CPU和存儲裝置分開的，也許解決了存儲緊張問題后，就可以打破馮諾依曼結構，創造處理速度更快的計算機。六. DNA存儲技術帶給我們的啟發知識

10、知識“互聯互聯”時代時代科技創新推動著時代的進步和社會的發展科技創新推動著時代的進步和社會的發展 ,而而進行跨學科領域的研究對科技創新起著極大的促進行跨學科領域的研究對科技創新起著極大的促進作用。跨學科領域研究有利于培養創造性思維進作用。跨學科領域研究有利于培養創造性思維,跨學科領域研究能夠豐富和完善科技創新方法跨學科領域研究能夠豐富和完善科技創新方法 ,跨學科領域研究為交叉、邊緣學科的產生和發展跨學科領域研究為交叉、邊緣學科的產生和發展提供幫助和動力。提供幫助和動力。如果說科技的發展就是一個新規律被不斷地發如果說科技的發展就是一個新規律被不斷地發現和運用的過程，那么經過幾十億年演化而來的現和

11、運用的過程，那么經過幾十億年演化而來的生物規律更值得我們花更多的時間和精力去思考生物規律更值得我們花更多的時間和精力去思考和研究。目前，信息技術的發展突飛猛進，但我和研究。目前，信息技術的發展突飛猛進，但我們的思維不能僅局限在信息領域，而應該更多地們的思維不能僅局限在信息領域，而應該更多地向生物學、心理學、物理學、化學等領域進行交向生物學、心理學、物理學、化學等領域進行交叉、融合，讓不同領域的知識碰撞、結合，去創叉、融合，讓不同領域的知識碰撞、結合，去創造出新的事物。造出新的事物。DNA計算機IBM TrueNorth芯片DNA計算機是一種生物形式的計算機。它是利用DNA（脫氧核糖核酸）建立的一種完整的信息技術形式，以編碼的 DNA序列（通常意義上計算機內存）為運算對象，通過分子生物學的運算操作以解