官方网站-首页

根据国际数据公司（IDC）的预测，到2025年，全球数据量将达到175泽字节（ZB），相当于每个人每天产生约1.7 MB的数据。这种全球性的数据激增带来了一个巨大的挑战：如何高效、可持续地存储如此庞大的信息？

目前，传统的硬盘、固态硬盘和云存储是数据存储的主要方式。然而，它们的局限性也日益凸显。例如，硬盘和固态硬盘的存储密度增长速度赶不上数据增长的速度。这些传统存储介质的使用寿命一般也只有数年，需要频繁更换，增加了成本和资源消耗。此外，全球数据中心的能耗已经占到了全球总能耗的1%以上，这不仅耗费大量能源，还对环境产生了不利影响。

那么，有没有一种方式，既能高密度存储庞大的数据，又能长时间保持数据的完整性，同时还节能环保呢？

科学家们将目光投向了生命的载体——DNA。

DNA，作为(wèi)遗(yí)传(chuán)信(xìn)息(xi)的(de)载(zài)体(tǐ)，具(jù)有(yǒu)天(tiān)然(rán)的(de)优(yōu)势(shì)：

• 超(chāo)高(gāo)储(chǔ)存(cún)密(mì)度(dù)：一(yī)克(kè)DNA理(lǐ)论(lùn)上(shàng)可(kě)以(yǐ)存(cún)储(chǔ)约(yuē)215 PB（拍(pāi)字(zì)节(jié)）的(de)数(shù)据(jù)，相(xiāng)当(dāng)于(yú)可(kě)以(yǐ)容(róng)纳(nà) 1千(qiān)万(wàn)小(xiǎo)时(shí)的(de)高(gāo)清(qīng)视(shì)频(pín)内容。

• 超长保存时间(jiān)：在(zài)适(shì)宜(yi)的(de)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)（比(bǐ)如(rú)避(bì)免(miǎn)接(jiē)触(chù)湿(shī)气(qì)和(hé)紫(zǐ)外(wài)线(xiàn)，因(yīn)为(wèi)它(tā)们(men)会(huì)破(pò)坏(huài)分(fēn)子(zi)结(jié)构(gòu)），DNA 的(de)化(huà)学(xué)稳(wěn)定(dìng)性(xìng)允(yǔn)许(xǔ)其(qí)保(bǎo)存(cún)数(shù)十(shí)万(wàn)年(nián)。

• 环(huán)境(jìng)友(you)好(hǎo)：DNA是(shì)一(yī)种(zhǒng)不(bù)需(xū)要(yào)持(chí)续供电的存储介质，能耗极低，有助于降低数据存储对环境的影响。

那么DNA如何储存信息呢？

我们可以把DNA想象成一本由四个字母组成的书，这四个字母分别是A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）和G（鸟(niǎo)嘌(piào)呤(lìng)），也(yě)就(jiù)是(shì)四(sì)种(zhǒng)碱(jiǎn)基(jī)。这(zhè)四(sì)种(zhǒng)碱(jiǎn)基(jī)各(gè)自与脱氧核糖和磷酸结合可形成相应的核苷酸，然后再通过不同的排列组合，形成了DNA的序列，就像文字的组合构成了书中的内容。在生物体中，这些序列编码了遗传信息，指导着生命的生长、发育和功能。

在数据存储中，科学家们借鉴了这一原理，将数字信息转换为DNA的碱基序列。例如，可以将二进制的“0”和“1”对应到特定的碱基上，或者通过特定的编码规则，将数据映(yìng)射(shè)为(wèi)一段DNA序列。但问题是传统方法需要从头合成新的DNA链，这一过程既昂贵又缓慢。此外，长(zhǎng)链(liàn)DNA合成也容易出错，影响数据的准确性和可靠性。

那我们是否有办法突破这些瓶颈呢？

2024年10月23日，在一篇发表于《自然》杂志上的论文中，一个由中国科学家领导的团队受到表观遗传学的启发，开发了一种用DNA储存数据的新技术——“表观比特”储存技术。

什么是表观遗传学呢？我们继续把DNA想象成一本书，里面的文字代表我们的基因信息。表观遗传学就好比在这本书的特定文字上做标记（如加粗、下划线），不改变文字本身，但可以影响对内容的理解和解读。

在生物学中，表观遗传修饰通过在DNA的特定碱基上添加或移除化学基团，比如甲基（CH₃），来调节基因的表达。这种调节可以影响细胞功能，甚至决定基因是否被“打开”或“关闭”。

研究人员利用了DNA链上特定碱基的甲基化和去甲基化来表示二进制信息：

•甲基化的碱基：表示二进制的“1”。

•未甲基化的碱基：表示二进制的“0”。

这种“表观比特”类似于传统的比特。这种(zhǒng)新(xīn)技(jì)术(shù)不(bù)依(yī)赖(lài)于(yú)从(cóng)头(tóu)合(hé)成(chéng)DNA，而(ér)是(shì)利(lì)用(yòng)现(xiàn)有(yǒu)的(de)DNA分(fēn)子(zi)进(jìn)行(xíng)数(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ)，就(jiù)像(xiàng)在(zài)纸(zhǐ)上(shàng)印刷文字一样，无需重新制造纸张。

表观遗传信息储存的机制。 图：ChengZhang et al.

在论文中，研究人员提出了一种基于并行写入策略的DNA储存策略。他们设计并预制了一个通用的单链DNA载体，可以看作是数据存储的“纸张”。他们还设计了一系列互补的短单链DNA，称为“文字库”，这些短链DNA能够与载体的特定位置配对结合，就像印刷活字中的字模。通过将“文字库”加载到DNA载体的相同位置上，可以排列组合出所需的“表观比特”信息，类似于将活字排版在印刷版上。

接下来，利用酶的作用，就可以对DNA载体上的特定碱基进行甲基化修饰。这种选择性甲基化是并行进行的，意味着可以同时在多个位置上进行修饰，大幅提高效率。通过上述步骤，数据被稳定地“打印”在DNA载体上，完成了一次精密而高效的“分子印刷术”。

在实验中，研究团队仅使用了700种DNA活字和5个DNA模板，通过不同的组合，就可以编程出大量的数据。在自动化的实验平台上，他们实现了约27.5万个比特的数据写入，每次反应可以写入350比特的数据。

新研究表明，DNA存储的潜力正在逐渐显现。凭借其高密度、长寿命和低能耗的特点，DNA或许能成为未来解决数据存储危机的关键。在这条探索的道路上，“表观比特”技术迈出了重要一步，让人类看到了自然智慧与科技创新结合的无限可能。

或许有一天，我们真的可以将全人类的知识和记忆，凝聚在微小的DNA分子中。

本文为·创作培育计划扶持作品

作者名称：沈雯

审核：梁前进 北京师范大学生命科学学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司