一顆蛋儲存全世界

一顆蛋儲存全世界

在人類發明硬碟前的幾十億年,演化便已選擇DNA來儲存最珍貴的資訊:遺傳密碼。近來由於技術突破,我們可以輕鬆「讀」、「寫」DNA,而現在科學家正在開發這古老分子的嶄新用途,用來儲存新型態的資訊──人類在巨量資料時代以指數速率產生的數據。

利用DNA來儲存遺傳密碼之外的資訊,這個概念已受到廣泛討論,畢竟0與1的電腦編碼正面臨物理限制。如何安全儲存人類製造的所有資訊,是我們面臨的重要挑戰。

雙股螺旋結構 適合資訊儲存

DNA的雙股螺旋結構非常適合資訊儲存,因為只要知道其中一股的序列,自然就會知道另一股。若DNA能夠長期保持穩定,就代表可以長期維持資訊的完整性和精確度。

此外,雙股螺旋最吸引人之處,或許在於它能摺疊成非常緊密的結構。每一個人類細胞都含有一個直徑約10微米的細胞核,如果把細胞核中的DNA完全伸展開來,長度可達2公尺。換句話說,如果把一個人體內的DNA全部串在一起,可以延伸100兆公尺。2014年科學家計算,理論上一公克的DNA可儲存455艾位元組(exabyte,相當於10億GB)的資訊。這樣的資訊儲存密度大約是硬碟的100萬倍。

利用DNA條碼 可追蹤實驗結果

近年來,各領域科學家越來越常使用DNA做為分子記錄器,以了解並追蹤實驗結果,這個過程利用了「DNA條碼」(DNA bar coding)。最先開始廣泛利用DNA條碼的是生物學家,而隨著次世代定序操作變得更加便利,化學工程、材料科學等研究者也開始使用這項技術,在極小尺度下進行實驗。

舉例來說,我在美國喬治亞理工學院主導的實驗室中,工程師用DNA條碼改進奈米粒子的設計和功能,以便把藥物安全遞送到生病的細胞。奈米技術學家所面對的一個根本問題,就是在尋找有效療法時,設計實驗仍然比執行與分析結果簡單得多。這是因為個別奈米粒子的形狀、大小、電荷、化學組成和其他變項,都可能影響它們把遺傳藥物遞送到病變細胞的效果。再者,這些因子彼此也會交互作用,使得研究者很難判斷哪一種奈米粒子會以最符合目標的方式遞送藥物。

量化奈米粒子 就可同時實驗

這是DNA儲存能力可以大顯身手的地方。為了提高奈米粒子的測試數量,我們可以設計幾千種化學結構相異的粒子,例如大的、帶正電的球形,或小的、不帶電荷的三角形,然後給予每種粒子一個DNA條碼。比方一號奈米粒子,擁有一號化學結構,標上一號DNA條碼;二號奈米粒子,擁有二號化學結構,標上二號DNA條碼。我們多次重複DNA條碼標記過程,藉此製造出許多不同的奈米粒子,每個都擁有獨特的DNA分子標籤。然後我們把幾百種奈米粒子送至病變細胞。為了辨識何種奈米粒子最能成功遞送藥物,我們使用DNA定序來量化細胞內的條碼。

這種實驗為奈米醫學打開了全新視野。在我的研究領域中,一個「傳統」實驗可產生1~5個數據點,而我的實驗室期望在2019年結束前,可以量化500種不同的奈米粒子,並把基因治療的藥物遞送到40種不同的細胞類型,這相當於同時進行兩萬個實驗。

保存數位資料 DNA仍輸硬碟

隨著DNA在更多領域中被用來生產、追蹤和儲存資訊,這項技術衍生出一個重要問題──DNA能否與現行的電子儲存設備競爭,用以保存所有人類產生的數位資料?目前答案仍然是否定的──就算和目前最先進的DNA系統相比,硬碟和快閃記憶體保存資訊的能力仍優秀許多。

但和所有科技一樣,傳統電子設備佔空間且需儲存在特定環境下,即使是最耐用的電子設備也很難保存超過幾十年。相對來說,DNA如果保存在陰涼乾燥的條件下,將可能保存數萬年。雖然每平方英寸的硬碟可以儲存多達一兆位元的資訊,但最近的研究估計,全世界產生的所有資訊,理論上可以儲存在少於一公斤的DNA中。

讀取資訊費時 個資也有漏洞

DNA儲存要能普遍應用,還需提升許多重要的技術。技術突破的主要限制是儲存資訊和擷取資訊有所不同:我們可以「立即」從一個硬碟中取得資訊;但卻需要用數分鐘到一天的時間定序DNA,才能從中取得資訊。

要讓DNA儲存能夠發揮所有潛力,以上障礙還不是唯一的考量。在這個時代,我們必須正視:當DNA定序變得非常普遍時,意味著追蹤個人變得更容易,同時也會產生新的資訊安全漏洞。關於隱私,令人憂心的例子太多了,無論在美國或全球都是。(摘錄)

實驗測試

以DNA條碼追蹤奈米粒子

DNA條碼讓研究者可以有效率地測試負責藥物遞送的奈米粒子。在過去,這類實驗既費力又耗時,現在則可以一口氣測試數百種不同粒子。

在顯示的測試階段中,每種奈米粒子裡都置入了一個獨特的DNA條碼1。最終這些奈米粒子會把藥物送到病變細胞。在實驗測試中,會同時投放多種奈米粒子2。之後掃描細胞的DNA條碼,藉此了解是哪些奈米粒子進入哪些器官組織③,幫助研究者快速得知哪一種奈米粒子的設計可能最適合特定藥物遞送的目標,同時副作用也最小。

本文取自《科學人》雜誌2019年9月號,更多的內容歡迎閱讀《科學人》雜誌。相關訊息網址:http://sa.ylib.com

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