在數(shù)字化飛速發(fā)展的時代，我們產(chǎn)生和需要存儲的數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長。傳統(tǒng)的存儲方式，如硬盤、磁帶等，正面臨存儲容量有限、維護成本高以及存儲設(shè)備壽命短等諸多限制。自20世紀60年代起，DNA分子因其高存儲密度、高穩(wěn)定性和易復(fù)制等特點，逐漸步入大眾視野，成為未來存儲技術(shù)的新希望。“DNA可以用作信息存儲介質(zhì)嗎？”作為信息領(lǐng)域的前沿?zé)狳c，被國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》列入125個科學(xué)問題之一。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)。
□張成錢瓏
揭開DNA存儲的神秘面紗
DNA，即脫氧核糖核酸，是生物體內(nèi)承載遺傳信息的大分子。它由腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）四種核苷酸按特定順序排列而成，恰似計算機代碼中的0和1，共同編織出生命的遺傳密碼。
DNA存儲技術(shù)就是巧妙利用了DNA的這一特性，將數(shù)字化信息轉(zhuǎn)化為DNA序列進行存儲。簡單來講，就是把我們?nèi)粘Ｊ褂玫亩M制數(shù)據(jù)，比如電腦文件等，依據(jù)特定編碼規(guī)則，轉(zhuǎn)變?yōu)橛葾、T、G、C組成的DNA序列。例如，一段二進制代碼通過編碼，能夠轉(zhuǎn)化為一串DNA序列，再將合成好的DNA置于一定環(huán)境中，DNA信息存儲便得以實現(xiàn)。
DNA數(shù)據(jù)存儲的歷史，可追溯至20世紀60年代中期，美國麻省理工學(xué)院教授維納和蘇聯(lián)物理學(xué)家涅曼首次提出“遺傳記憶”概念，但受限于當時DNA測序與合成技術(shù)，只是一個初步構(gòu)想。1988年，哈佛大學(xué)教授戴維斯第一次設(shè)計并合成了一個包含18個核苷酸的DNA片段，并且將其轉(zhuǎn)移至大腸桿菌中，這標志著DNA存儲的首次實驗實現(xiàn)。受戴維斯啟發(fā)，全球其他科學(xué)研究團隊也開始了基于DNA分子的活細胞存儲研究。直到2012年，哈佛大學(xué)教授丘奇和歐洲生物信息學(xué)研究所科學(xué)家戈德曼實現(xiàn)了突破性科學(xué)進展，通過創(chuàng)新性的編碼方式以及先進的生物技術(shù)手段，首次將圖書內(nèi)容完整存入DNA之中，充分展示出DNA作為存儲介質(zhì)的巨大潛力。
DNA存儲何以實現(xiàn)
那么，如何實現(xiàn)DNA存儲？
第一步，將數(shù)據(jù)寫入DNA：數(shù)據(jù)與DNA序列轉(zhuǎn)換的橋梁——編碼。
編碼是DNA存儲的首要步驟，是將二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DNA序列。要實現(xiàn)精確編碼，需制定嚴謹?shù)木幋a規(guī)則?？茖W(xué)家通常依據(jù)DNA核苷酸合成的限制和數(shù)據(jù)的存儲需求進行設(shè)計。比如，規(guī)定每2個二進制位對應(yīng)一種核苷酸組合，00對應(yīng)A，01對應(yīng)T，10對應(yīng)G，11對應(yīng)C等。
不過，將數(shù)字信息準確編碼為DNA序列并非易事，需要設(shè)計合適的編碼算法和方案。一方面要確保信息能夠完整、準確地合成為DNA序列，另一方面還要考慮編碼效率和冗余度等問題，以便在后續(xù)存儲和讀取過程中實現(xiàn)高效操作。此外，傳統(tǒng)DNA存儲以化學(xué)合成的方式逐個加入代表信息的核苷酸，只能串行寫入分子信息，當存儲大量數(shù)據(jù)時，面臨存儲速度慢、成本高的問題。
第二步，構(gòu)建存儲信息的DNA分子：編碼完成后，按編碼的順序逐個加入核苷酸，合成DNA鏈。
目前常用的傳統(tǒng)化學(xué)合成方法是基于磷酰胺的化學(xué)合成法，但考慮到其合成速度慢、成本高等缺點，科學(xué)家也在探索新型DNA合成技術(shù)。其中，酶促合成法備受關(guān)注，它利用DNA聚合酶等催化DNA合成反應(yīng)。
與傳統(tǒng)方法相比，酶促合成法操作簡單、步驟簡便，但同時也存在酶的活性調(diào)控困難、精確數(shù)量的序列合成控制難等問題。近年來，主流DNA存儲技術(shù)是基于“從頭合成”路線，串行進行分子信息寫入。盡管從頭合成技術(shù)在通量和效率上不斷提高，但串行合成的底層本質(zhì)仍嚴重影響了DNA存儲寫入速度和成本，阻礙了DNA存儲的實用化發(fā)展。
第三步，存儲與讀取技術(shù)：保障數(shù)據(jù)的保存與恢復(fù)。
DNA存儲對環(huán)境條件要求比較寬泛，一般需將合成好的DNA保存在低溫、干燥且避光的環(huán)境中。低溫（通常零下20攝氏度甚至更低）和干燥能有效減緩DNA分子降解速度；避光則是為了防止光照引發(fā)DNA分子的損傷，從而保障存儲數(shù)據(jù)準確性。而讀取DNA存儲數(shù)據(jù)的方法，就是DNA測序。需依靠DNA測序技術(shù)獲取其核苷酸序列。目前主流的DNA測序技術(shù)有桑格測序法、NGS測序和納米孔測序等。
并行DNA存儲突破傳統(tǒng)技術(shù)瓶頸
針對DNA存儲信息串行寫入的問題，北京大學(xué)DNA存儲團隊突破傳統(tǒng)“從頭合成”串行寫入路線，提出了一種基于并行寫入策略的新型DNA存儲策略（該研究工作于2024年發(fā)表在《自然》上）。這種方法通過DNA自組裝介導(dǎo)的選擇性酶促甲基化（表觀遺傳修飾），對DNA中特定位點進行甲基化，以實現(xiàn)信息編碼，避免了對從頭合成DNA的依賴。這種方法被形象地比喻為DNA上的活字印刷技術(shù)，不僅可以加快信息的寫入速度，并且由于采用預(yù)制的分子活字塊和長鏈模板，方便批量操作，極大降低了存儲成本。
首先預(yù)先合成700種“DNA活字”和5條DNA長鏈“白紙”模板。通過人工設(shè)計，使得每個“活字”塊都可通過DNA自組裝錨定到模板上的特定位置。其中，每個位置的DNA“活字”有兩種：攜帶或不攜帶甲基修飾，分別代表0或1。隨后，通過甲基轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)半甲基化轉(zhuǎn)移，將模板中的特定位置甲基進行轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)并行的選擇性分子信息寫入。
研究團隊使用有限的預(yù)制DNA活字和長鏈模板排版編程，在自動平臺上實現(xiàn)約27.5萬個比特的并行甲基修飾信息寫入，單次反應(yīng)分子寫入通量為350比特，極大提高了DNA存儲的信息寫入通量（從頭合成的DNA數(shù)據(jù)存儲中單個反應(yīng)約1比特的輸出量）。
這項技術(shù)的核心突破在于，能通過預(yù)制的DNA模板和活字塊，在分子底層以排版的方式并行打印表觀比特（epi-bit）信息，實現(xiàn)分子數(shù)據(jù)的精確高通量寫入，進而完成大規(guī)模并行DNA存儲。與傳統(tǒng)DNA數(shù)據(jù)存儲方法相比，這種活字印刷并行寫入方式僅需有限數(shù)量的預(yù)制DNA分子，避免了復(fù)雜煩瑣DNA序列編碼過程，不僅大幅降低分子信息寫入復(fù)雜度，還能降低成本、提高操控靈活性。
雖然DNA存儲技術(shù)在持續(xù)進步，但仍面臨一些亟待破解的問題。
DNA合成和測序成本仍較為高昂。DNA合成需復(fù)雜化學(xué)工藝和高端設(shè)備，導(dǎo)致DNA存儲的成本居高不下。盡管如此，DNA仍是最具廣闊應(yīng)用前景的存儲方式之一。
——在長期冷數(shù)據(jù)存儲方面，像國家歷史檔案、珍貴文物資料這類需要長期保存的數(shù)據(jù)，DNA有著超長存儲時間以及高存儲密度的優(yōu)勢，是理想的存儲方式。將這些數(shù)據(jù)存于DNA中，哪怕過了數(shù)千年依然能完好讀取，有力保障了人類文明的傳承。
——在航天領(lǐng)域，航天活動中數(shù)據(jù)存儲的能耗和太空復(fù)雜環(huán)境是關(guān)鍵的考量要點。而DNA存儲具備低能耗、高存儲密度和高穩(wěn)定的特性，因此有望適用于該領(lǐng)域。比如，科學(xué)家可以把航天器飛行數(shù)據(jù)、科學(xué)實驗數(shù)據(jù)等存儲在DNA中，既能減輕存儲設(shè)備重量，又能在能源有限條件下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長期保存。
——在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，DNA可用來存儲大量的基因數(shù)據(jù)、醫(yī)療診斷照片和病人病歷等。隨著個性化醫(yī)療不斷發(fā)展，對于患者個體基因數(shù)據(jù)長期保存以及準確讀取的需求也在持續(xù)增加。
——在私人數(shù)據(jù)存儲方面，并行DNA存儲技術(shù)，由于操作簡單、環(huán)境需求低和預(yù)制合成等特點，特別適合于高隱私要求的私人定制DNA存儲應(yīng)用。這也有望推動DNA存儲的實用化發(fā)展，走入千家萬戶。
DNA存儲作為新興技術(shù)，已展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。未來，它很可能成為數(shù)據(jù)存儲的重要方式之一，為海量數(shù)據(jù)存儲與相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供有力支持。
?。ㄗ髡撸簭埑?、錢瓏，分別系北京大學(xué)計算機學(xué)院副研究員，北京大學(xué)定量生物中心副研究員）
?。ㄔd2025年1月2日《光明日報》）
