近日，天津大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)中心吳華明教授團隊研發(fā)了一種全新的DNA存儲系統(tǒng)——HELIX，并成功實現(xiàn)了60MB的醫(yī)學(xué)影像（時空組學(xué)）圖片信息的存儲與恢復(fù)。這是我國科研人員在DNA存儲領(lǐng)域取得的又一次新突破。此前，北京大學(xué)張成和錢瓏DNA存儲團隊首次提出了一種基于并行寫入策略的DNA存儲方法，利用分子活字印刷的方式，將大熊貓彩色照片存入表觀分子修飾中，實現(xiàn)了27.5萬比特的非傳統(tǒng)DNA存儲。
什么是DNA存儲？DNA存儲有哪些優(yōu)勢？業(yè)內(nèi)專家告訴記者，DNA存儲是一種利用人工合成的脫氧核糖核酸（DNA）作為信息載體的新型存儲技術(shù)，具有密度大、耗能低、無磨損和壽命長等潛在優(yōu)勢。
“理論上，僅1克DNA就能存儲約1000萬小時的高清視頻數(shù)據(jù)，也許1公斤DNA便能裝下全世界的數(shù)據(jù)?！北本┐髮W(xué)計算機學(xué)院副研究員張成說，“DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)和自組裝特性，使其在甚小空間內(nèi)也可以緊湊排列，承載極高密度的信息?！贝送?，DNA的四種堿基（腺嘌呤A、胞嘧啶C、鳥嘌呤G和胸腺嘧啶T）的排列組合變化無窮，也就意味著它們可以編碼幾乎無限量的信息，使得DNA理論上具備比任何現(xiàn)有存儲設(shè)備更高的存儲容量。
DNA可以保存多久？最新答案是200萬年。近年科學(xué)家曾從格陵蘭島凍土中成功提取200萬年前的DNA序列，其中信息仍歷歷可辨。DNA存儲不僅存得久，而且存得牢，若能有效避免水分與紫外線的影響，DNA可以在數(shù)十萬年內(nèi)保持穩(wěn)定不變。更重要的是，DNA存儲額外耗能極低，理想保存環(huán)境與日常環(huán)境相差不大。要想在能源有限條件下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期保存，DNA存儲堪稱首選。
如何把數(shù)據(jù)存入DNA？張成介紹，傳統(tǒng)的DNA存儲方法首先是將數(shù)據(jù)進行編碼，也就是將二進制數(shù)據(jù)按照設(shè)定好的編碼規(guī)則轉(zhuǎn)化為DNA序列；接下來，通過合成DNA分子實現(xiàn)存儲的信息寫入，即按照編碼的順序逐個加入堿基，以串行的方式合成DNA鏈；第三步就是存儲與讀取。
為什么需要研發(fā)DNA存儲技術(shù)？國家數(shù)據(jù)局發(fā)布的《全國數(shù)據(jù)資源調(diào)查報告（2024年）》顯示，2024年全國數(shù)據(jù)生產(chǎn)總量達41.06澤字節(jié)（ZB），同比增長25%。面對數(shù)據(jù)量的爆炸式增長，傳統(tǒng)存儲方式面臨容量有限、維護成本高、設(shè)備壽命短等諸多挑戰(zhàn)，尋找新一代存儲介質(zhì)迫在眉睫。2022年，我國“十四五”規(guī)劃將DNA存儲列為與新一代移動通信技術(shù)、量子信息、第三代半導(dǎo)體等并列的新興技術(shù)。當(dāng)前，作為未來產(chǎn)業(yè)的前沿方向之一，DNA存儲已形成以核心城市為引領(lǐng)、產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動的多區(qū)域發(fā)展格局，北京、上海、天津、深圳等多地均有所布局。以北京市為例，今年北京將在未來信息、未來健康等六大領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，推動未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展全面提速，其中包括DNA存儲等前沿方向。
何時能用上DNA存儲？業(yè)內(nèi)專家告訴記者，DNA存儲的產(chǎn)業(yè)化落地道阻且長?！爱?dāng)前，DNA存儲還面臨存得貴、讀得慢等痛點?！睆埑杀硎?，一是成本高昂，目前合成2MB的DNA數(shù)據(jù)需要約7000美元，讀取數(shù)據(jù)需要約2000美元，如果以DNA形式存儲1GB大小的電影，大約需要花費358萬美元；二是讀寫速度太慢，以目前的技術(shù)，在合成DNA時每添加一個堿基都需要多個操作環(huán)節(jié)，尚無法滿足日常簡單的實時數(shù)據(jù)存儲需求；三是讀取環(huán)節(jié)準(zhǔn)確率不高，例如寫入過程可能出現(xiàn)不正確的修飾等錯誤，讀取時也可能因測序誤差導(dǎo)致還原數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等狀況。
正因如此，科研人員正在加快底層核心技術(shù)突破，研發(fā)新型DNA存儲技術(shù)，以期推動DNA存儲產(chǎn)業(yè)化。例如，2024年北大DNA存儲團隊提出的并行寫入策略DNA存儲方法，并不依賴于傳統(tǒng)的“從頭合成”寫入路線原理，而是利用甲基修飾比特編碼信息，將信息并行地打印在DNA分子之上。相關(guān)技術(shù)不僅為實現(xiàn)快速、低成本的大規(guī)模分子數(shù)據(jù)存儲奠定了基礎(chǔ)，還為未來DNA存儲的發(fā)展提供了全新思路。
“DNA存儲要實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，還需在底層技術(shù)層面進一步取得突破，從而在降低成本、提高速度、提升準(zhǔn)確率等多個方面取得跨越進展?！睆埑杀硎?。（記者 吳蔚 張漫子）