将整本《绿野仙踪》存入纳米级DNA中,高效准确,读取无压力_创事记

来源:网络采摘    作者:果子整理    人气:    发布时间:2020-08-01    

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量子位 报道 | 公众号 QbitAI

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如何将一整本《绿野仙踪》,存进纳米级的DNA里?

 将整本《绿野仙踪》存入纳米级DNA中,高效准确,读取无压力_创事记

现在,德克萨斯大学奥斯汀分校的科学家们做到了。

他们开创了一套新的DNA数据编码和解码方法,不仅非常高效,还可以长期保存数据。

最关键的突破在于,准确率也非常高。

DNA技术近些年之所以受到关注,是因为它具有不可忽视的潜力:存储密度大。

例如,一个鞋盒能装下的所有DNA,足以保存100个大型数据中心的所有数据。

但这项技术除了昂贵,还有个最大的问题:错误率高。

光是插入和删除两种错误,就占据DNA合成错误的50%以上。

而这套新的DNA数据编解码方法,专门针对DNA合成错误进行修复,使得数据在被存储后,还能完好地被提取出来。(文末附论文链接)

一起来看看这种方法的妙处。

DNA合成:两大瓶颈

成本昂贵

事实上,微软在2016年就已经利用DNA存储技术完成了约200MB数据的保存,包括《战争与和平》等。

作为一种优良的存储介质,DNA不仅能实现更高的存储密度,而且还具有良好的耐久性,40万年前的古人类基因也能被重建。

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如果反过来,想要将数据存储在DNA中,基本方法就是将0和1转换为4种核苷酸(碱基组成的序列)。

不过,虽然微软没公布200MB数据合成的成本,那会儿每个碱基的价格通常在0.7元左右。

而200MB数据的保存,用了大约15亿个碱基……

如此昂贵的DNA合成价格,却只能保存200MB的数据,相比之下,几百元的硬盘它不香吗?

不过,成本起码会随技术发展下降,最关键的问题,还是DNA合成的错误率高。

错误率高

在DNA合成过程中,存在替换、插入与删除三种常见的错误。

来看看这3种错误产生的方式。

在DNA复制过程中,如果其中一条链「手滑」了,就会产生插入和删除错误。

插入:下图左,由于子链在复制过程中「滑动」了一下,原本已经合进子链的腺嘌呤(A)被拱了起来,导致原来的位置上多了一个腺嘌呤(A);

删除:下图右,由于母链在复制过程中「滑动」了一下,导致一个胸腺嘧啶(T)还没被复制就被跳过了,子链上少了个腺嘌呤(A)。

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下图是一种替换错误,DNA中将胞嘧啶(C)替换成了胸腺嘧啶(T)。

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而根据统计,在DNA合成会出现的错误中,插入和删除的错误占据了57%。

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以往虽然也有针对DNA合成的纠错方式,但效率不高。

好消息是,现在科学家们研究出了一种新的编解码方式HEDGES,全名Hash Encoded, Decoded by Greedy Exhaustive Search,可以更高效地将数据合入DNA,或取出来。

HEDGES高效纠错

下图是在解码时,传统纠错方式和HEDGES纠错方式的对比。

其中,红色部分是发生替换、插入或删除错误的地方,蓝色部分是正确序列。

从图中可见,传统DNA合成在解码纠错时,需要对一条链进行多次合成,然后进行比对,得出正确率高的正确碱基对,从而降低错误率。

但HEDGES只需要进行单次读取,就能将发生缺失、删除和替换错误的地方纠正过来,并得出正确的信息。

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这种高效纠错的能力,与HEDGES编解码的方式密不可分。

HEDGES编解码依据的是一种自动加密算法,这种算法在古代战事中很常见:

假设一方要传递「黎明时进攻」的明文,现在双方已知关键词是「QUEENLY」,那么密钥就是「QUEENLY+明文」,加密时,用维吉尼亚密码把「明文+密钥」翻译成密文。

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然后,对方只需要掌握“QUEENLY”和密文,就能将明文解密出来了。

不过,这种算法用于DNA编码时,会出现冗余的情况,例如,在半速率编码(每个核苷酸编码1比特数据)时,如果输入1比特数据,则会输出2比特的数据量。

接下来,采用哈希算法,结合数据本身、数据所在DNA链的ID和先前数据,做个「数字签名」,就能保障数据传递的安全性,如下图。

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责任编辑:果子整理