大腸桿菌可以當硬碟用?坐在自家房間就能與地球另一端的人握手、擁抱?

世界經濟論壇(World Economic Forum)每年都會發表一份「10大新興科技報告」,期望讓大眾看到能打破既有秩序、吸引投資者和研究人員、而且能在5年內發展為可觀規模的技術。這些技術也要能給社會與經濟帶來重大利益。 商周從今年度的10大科技(見文末)之中,選出最讓人耳目一新的技術,一一解析。

最強超級硬碟誕生》


用生物DNA裝載全球資訊量

過去我們提到大腸桿菌,會聯想到食品衛生程度,可是大家可曾想過在不久的將來,「1大腸桿菌」可能變成硬碟容量的1個單位?

軟體公司Domo統計,2018年Google平均每分鐘的搜索量為388萬次、人們發送1.6億封電子郵件、在YouTube上觀看433萬則影片、在推特(Twitter)上發出47.3萬次推文、在Instagram上發布4.9萬張照片。

據估計,2020年全球人均每秒將產生1.7MB的數據,假設世界人口為78億,那麼1年就會產生約4180億個1TB硬碟的資訊。照這樣發展下去,現有硬碟容量只夠我們存不到1個世紀。更何況,數據中心還需要大量能量來運作。

科學家目前正在嘗試用DNA來儲存資訊。由長鏈的核苷酸A、T、C和G組成的DNA,是生命的資訊儲存物。數據可改用A、T、C、G這些字母的順序儲存,將DNA轉化為一種新的資訊技術形式。它已很容易的進行常規測序(讀)、合成(寫)和精確複製。DNA也非常穩定,而且儲存資訊不需要太多的能量。

但最吸引人的是DNA的容量。根據哈佛大學丘奇(George Church)和他的同事2016年在《自然材料》(Nature Materials)上發表的計算,構造簡單的大腸桿菌每立方公分就可儲存1019位元。在這樣的密度下,世界上目前1年的所有資訊儲存,都可以用1個邊長約1公尺的DNA立方體滿足。

這項技術並非紙上談兵。丘奇的團隊在研究發表1年後(2017年),採用CRISPR DNA編輯技術,將人的手部圖片記錄到大腸桿菌的基因組中,發現其讀取準確率超過90%。華盛頓大學(University of Washington)和微軟研究院(Microsoft Research)的研究人員也開發了1套全自動化系統,用於書寫、儲存和讀取DNA編碼的數據。包括微軟和Twist Bioscience在內的許多公司都在致力於推進DNA儲存技術。

與此同時,DNA已經被研究人員用來以一種不同的方式管理數據。新一代測序技術的發展,使得數十億個DNA序列能夠被輕鬆地同時讀取。有了這種能力,研究人員可以利用DNA序列作為分子識別「條碼」來追蹤實驗結果。

要讓DNA儲存資料變得普遍,挑戰之一是讀寫DNA的成本和速度要能降低,才可與電子儲存競爭。即使DNA沒有成為一種無處不在的儲存材料,它也肯定會被應用在以全新的規模生成資訊,並長期保存某些類型的數據。