数千年前的卷轴让我们得以一窥早已被遗忘的文化和祖先的知识。与之相反，在数字时代，我们的大量知识存储在服务器和硬盘上。要让这些数据保存 50 年已是一项挑战，更不用说数千年了。因此，研究人员正在寻找长期存储海量数据的新方法。他们尤其关注一种自然界中存在的存储介质：遗传物质 DNA。
DNA 适合承担这项任务，因为它能够以紧凑的方式存储大量信息。遗憾的是，数据并非总能无误地读取：化学降解和 DNA 测序错误会导致编码数据出现缺失和错误信息。如今，由苏黎世联邦理工学院化学与应用生物科学系讲师 Robert Grass 领导的研究人员揭示了如何实现信息长期无误存储，这种存储有望持续超过一百万年。首先，他们将承载信息的 DNA 片段封装在二氧化硅（玻璃）中；其次，他们使用算法纠正数据中的错误。
“合成化石”形成保护外壳
两年前，研究人员展示了如何以 DNA 的形式保存并重新读取数据。当时，从“写入”信息——合成相应的 DNA 编码序列——到读取数据（即测序）之间的时间非常短。但即使时间很短，误差范围仍会带来问题，因为 DNA 在写入和读取过程中都会出现错误。从长期来看，DNA 会与环境发生化学反应，可能产生显著变化，因此构成长期存储的障碍。不过，可以从数十万年前的化石骨骼中分离并分析遗传物质，因为它们已被封装和保护。“与这些骨骼类似，我们希望用合成的‘化石’外壳保护承载信息的 DNA，”Grass 解释说。
为此，他的团队将 DNA 封装在直径约 150 纳米的二氧化硅球体中。研究人员将瑞士《1291 年联邦宪章》和 《机械定理方法》 （阿基米德著）编码进 DNA。为了模拟承载信息的 DNA 在长期内的降解，研究人员将其置于 60 至 70 摄氏度的环境中，最长达一个月。如此高的温度可在几周内重现数百年间发生的化学降解。借此，研究人员可以将 DNA 存储在二氧化硅玻璃外壳中的效果，与其他常见存储方法进行比较：保存在浸渍滤纸上，以及保存在生物聚合物中。封装在玻璃外壳中的 DNA 尤为坚固。使用氟化物溶液即可轻松将其与二氧化硅玻璃分离，并读取其中的信息。
由于二氧化硅封装与化石骨骼中的封装大致相当，研究人员得以借助史前信息，了解封装 DNA 的长期稳定性，并据此进行预测：在低温下存储，例如存放于温度为零下 18 摄氏度的斯瓦尔巴全球种子库，DNA 编码的信息可以保存超过一百万年。相比之下，投影到缩微胶片上的数据预计只能保存 500 年。
找回丢失的数据点
然而，仅仅在长时间内存储信息且不造成重大损坏还不够；数据还必须能够被无误读取。DNA 测序技术取得了显著进步，因此读取已存储数据的成本已经可以承受，未来还会进一步降低。不过，这些技术并非毫无差错。
为应对这一问题，苏黎世联邦理工学院通信技术实验室的 Reinhard Heckel 开发了一种基于 Reed-Solomon 编码的纠错方案，类似于远距离数据传输（例如与航天器进行无线电通信）所使用的方案。Heckel 解释说，关键是在实际数据中附加额外信息。“要确定一条抛物线，基本上只需要三个点。我们又增加了两个点，以防其中一点丢失或发生偏移。”DNA 编码的数据确实更为复杂，但原则上，研究人员的 DNA 加密安全“备份”以同样方式发挥作用。即使在不利条件下存储，测试中保存的信息——瑞士《联邦宪章》和阿基米德的文本——也能无误地读取。
Grass 会选择保存哪类信息，让它们留存数百万年？他说，是联合国教科文组织“世界记忆”项目中的文献。他还会保存维基百科：“许多词条描述详尽，另一些则不那么详细。这或许能很好地概览我们的社会知道什么、关注什么，以及关注到什么程度。”
参考文献
Grass RN、Heckel R、Puddu M、Paunescu D、Stark WJ：《利用二氧化硅中的 DNA 及纠错编码实现数字信息的稳健化学保存》。54，第 8 期，2552，-2555，DOI： 10.1002/anie.201411378。
本文由 苏黎世联邦理工学院合作发布。本文的发表并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Angelika Jacobs 博士是《ETH news》和“future blog”的科学编辑。
图片：英国教授 Graham Jones 在索非亚市中心展示一段长 2.5 metere 的 DNA 结构模型。REUTERS/Stoyan Nenov
