【電子版】デジタル編集部から（３６）ＤＮＡストレージは情報爆発を解決する切り札となるか

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  DNAの模式図（Jonathan Bailey, NHGRI）

インターネットをはじめとする情報社会の到来で、デジタルデータの量が爆発的に増える「情報爆発」と呼ばれる現象が起きています。例えば、過去２年の間に作り出されたデータの総量はそれ以前のデータの合計を上回るとも言われるほど、情報量が急激に増えています。そこで鍵となるのが、ハードディスクのようなストレージシステムなのですが、指数関数的に増えるデータの生成スピードに対応すべく、高密度・大容量のストレージが求められるようになっています。

実はこうした観点から注目されているのが、われわれ人間を含め、生体の設計データである遺伝情報を記憶しているＤＮＡ。３日には、デジタルデータをＤＮＡ分子に高密度に記録し、かつＤＮＡを読み取ってデータを復元する場合のエラー率も最小限に抑えられる手法を開発したと、米国のコロンビア大学とニューヨークゲノムセンターの研究チームが米サイエンス誌に論文を発表しました。

彼らが開発した「ＤＮＡファウンテン（液体の貯蔵容器）」と名付けたアルゴリズムを使えば、わずか１グラムのＤＮＡ分子に２１５ペタバイト（ペタは千兆）ものデータを書き込むことができると言います。感覚的にはちょっとわかりづらいですが、一部屋ほどの量のＤＮＡがあれば、理論上は人類がこれまで記録し続けてきた情報を全てそこに書き込めることができるとのこと。実用化されれば、確かにインパクトは大きいでしょう。

では、なぜハードディスクやフラッシュメモリーのような電子的な手法ではなく、ＤＮＡなのか。まずＤＮＡは極めてコンパクトで記録密度が高いこと、そして耐久性が高く長持ちすることが挙げられます。後者については、低温かつ乾燥した条件であれば、情報を数十万年間保存できることが実証済み。スペインの洞窟で発見された４３万年前の人類の祖先の骨から採取されたＤＮＡから、その人物の目の色までわかっています。さらに大量のＤＮＡを一度に読み取ることができ、スケールアップしやすい、という利点もあります。

ただ、ＤＮＡストレージ自体の技術はまだ新しく、初めて研究成果が報告されたのは２０１２年のこと。ノーベル賞候補とされる米ハーバード大学のジョージ・チャーチ教授らによる試みで、５万２０００語からなる本の情報を、ＤＮＡを構成するＡ（アデニン）、Ｇ（グアニン）、Ｃ（シトシン）、Ｔ（チミン）という４つの塩基に割り当て、数千本のＤＮＡ鎖にコード化。その後、シーケンサーでＤＮＡの塩基配列を読み取って、データの復号化に成功しています。そのほか、マイクロソフトの研究部門なども実用化研究を進めているようです。

とはいえ、１２年の発表当時の記憶容量はＤＮＡ１グラム当たり１．２８ペタバイト相当で、今回のコロンビア大チームの成果は、その２００倍近い記録密度を可能にしています。

そもそも、ＤＮＡを構成する１個の塩基に割り当てられる情報量は２ビットではなく、まれな転写エラーを考慮した上での生物学的な冗長性を保つため１．８ビットが上限とみられています。そこで、今回はアルゴリズムの改良により、従来より６０％多い１塩基当たり１．６ビットを割り当てることに成功。さらに、ＤＮＡファウンテンでは、０、１という二進法で表現された元データを複数の小さなパッケージにランダムに分散して、多数のＤＮＡ鎖の塩基に符号化できる上、個々の塩基が損傷を受けても復号した時の読み取りエラーが最小になるよう、アルゴリズムが工夫されているとのことです。

実際、研究チームでは、２メガバイトちょっとの１個の圧縮ファイルの情報をＤＮＡに書き込み、エラー率ゼロの復号を達成しています。このファイルには、コンピューターのＯＳ、フランスのリュミエール兄弟が１８９５年に製作した短編ドキュメンタリーフィルム『ラ・シオタ駅への列車の到着』、コンピューターウイルス、情報理論の父と言われるクロード・シャノンが１９４８年に発表した情報の数学的理論についての論文ーといった合計６種類の二進法データが含まれ、それらを２００塩基の長さをした７万２０００本のＤＮＡ鎖に割り振ったデジタルリストを作成。サンフランシスコのスタートアップであるツイスト・バイオサイエンスにリストのテキストデータを渡し、実際のＤＮＡ分子として合成してもらいました。

さらに、シーケンサーを使ってこれらＤＮＡの塩基配列を読み取り、アルゴリズムで遺伝コードを二進法に戻し、元のファイルを復元しています。ＤＮＡを増幅するＰＣＲ法（ポリメラーゼ連鎖反応）を使えば、事実上、無制限にファイルのコピーも可能になるそうです。

一方で、実用化までの道のりはまだ遠そうです。大きな壁として立ちはだかっているのがコストの問題。今回、２メガバイトのデータを読み書きするのに、ＤＮＡの合成費用が７０００ドル、シーケンサーでの読み取り費用が２０００ドルかかったという。これも技術の進展に期待する部分が大きく、例えばＤＮＡの読み取りコストは、２００１年の段階で人間一人当たり１０億ドルしていたのが、現在では１０００ドル程度にまで劇的に下がってきています。さらに、ＤＮＡの場合は、ハードディスクなどに比べて読み書きのスピードが遅いということもあり、磁気テープやDVDの代替として長期保管用のアーカイブ記録に向いているようです。

ともあれ、生物の進化の記録を連綿と受け継いできたＤＮＡという器を、電子データの記憶媒体として活用する大胆なアイデアは、それ自体、コンピューター社会、あるいは文明の発展を下支えする大きな技術の進化と言えるでしょう。（デジタル編集部長・藤元正）