在科技飛速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)量正呈現(xiàn)出井噴式的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司（IDC）預(yù)測(cè)，2025年全球?qū)a(chǎn)生213ZB數(shù)據(jù)（1ZB=10億TB），2029年數(shù)據(jù)量將再次翻倍。傳統(tǒng)硅基存儲(chǔ)技術(shù)（如硬盤(pán)、閃存等）正陷入存儲(chǔ)密度逼近物理極限、能耗成本高、介質(zhì)壽命有限等多重瓶頸，基于現(xiàn)有技術(shù)預(yù)計(jì)5年內(nèi)將只有不到1%的數(shù)據(jù)可被保存。在ZB級(jí)數(shù)據(jù)洪流的沖擊下，研究開(kāi)發(fā)新型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)勢(shì)在必行。而此時(shí)，一種全新的存儲(chǔ)技術(shù)——DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，正逐漸嶄露頭角，有望引領(lǐng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)從“硅基”向“碳基”的重大轉(zhuǎn)變。
一、DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介紹
DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是利用人工合成的脫氧核糖核酸（DNA）作為信息載體的前沿存儲(chǔ)技術(shù)。作為生物體遺傳信息的天然存儲(chǔ)器，DNA由四種核苷酸構(gòu)成，分別是腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鳥(niǎo)嘌呤（G）、胞嘧啶（C）四種堿基，可以翻譯成二進(jìn)制中的00（A）、01（T）、10（G）、11（C）。在數(shù)據(jù)寫(xiě)入時(shí)，先將文本、圖片等信息翻譯成二進(jìn)制代碼，再將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為堿基的四進(jìn)制序列，然后通過(guò)人工合成技術(shù)生成對(duì)應(yīng)的DNA分子，并放到適宜環(huán)境中保存，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高密度存儲(chǔ)。當(dāng)數(shù)據(jù)讀取時(shí)，再通過(guò)DNA測(cè)序技術(shù)反向操作即可。
圖片來(lái)源：擎科生物公眾號(hào)
圖1 DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及讀取流程圖
二、發(fā)展歷程
DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的發(fā)展并非一蹴而就，而是經(jīng)歷了多個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)突破階段。
早期探索階段——從概念構(gòu)想到實(shí)驗(yàn)突破。20世紀(jì)60年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院教授維納與蘇聯(lián)物理學(xué)家涅曼率先提出“遺傳記憶”概念，大膽設(shè)想將DNA作為信息存儲(chǔ)載體，為DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)播下理論種子。但受限于當(dāng)時(shí)落后的DNA測(cè)序與合成技術(shù)，這一構(gòu)想長(zhǎng)期停留在紙面。直到1988年，哈佛大學(xué)教授戴維斯成功設(shè)計(jì)并合成含18個(gè)核苷酸的DNA片段，完成DNA存儲(chǔ)的首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，標(biāo)志著該技術(shù)從理論走向?qū)嵺`，開(kāi)啟了科研界對(duì)DNA存儲(chǔ)的探索之路。
突破性發(fā)展階段——從實(shí)驗(yàn)可行到實(shí)踐可行。2012年，哈佛大學(xué)教授丘奇采用短鏈DNA進(jìn)行編碼，成功將一本659kb的書(shū)籍內(nèi)容轉(zhuǎn)化為DNA序列，最終測(cè)序結(jié)果僅出現(xiàn)22個(gè)錯(cuò)誤。2016年，微軟和華盛頓大學(xué)的研究人員對(duì)外公布，其利用DNA存儲(chǔ)技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了約200MB數(shù)據(jù)的保存，包括《戰(zhàn)爭(zhēng)與和平》在內(nèi)的100部文學(xué)作品。這些成果首次證明DNA能夠存儲(chǔ)大容量數(shù)據(jù)，充分展現(xiàn)了其作為存儲(chǔ)介質(zhì)的巨大潛力。
快速迭代階段——技術(shù)革新與成本優(yōu)化。2025年，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型聚合物材料，能夠在室溫環(huán)境下實(shí)現(xiàn)DNA的長(zhǎng)期穩(wěn)定保存。同年，中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所（國(guó)家生物信息中心）等單位科研人員提出了一種經(jīng)濟(jì)高效的存儲(chǔ)方法——DNA活字噴墨打印機(jī)“畢昇一號(hào)”。該技術(shù)以預(yù)制短DNA片段為存儲(chǔ)單元，每個(gè)片段存1字節(jié)信息，通過(guò)酶連接組裝成DNA活字塊，類似于畢昇印刷術(shù)的“活字重組邏輯”，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制片段的靈活拼接實(shí)現(xiàn)信息的高效存儲(chǔ)與組合。“畢昇一號(hào)”成功實(shí)現(xiàn)各類數(shù)字文件的高效存儲(chǔ)與精準(zhǔn)還原，解碼準(zhǔn)確率達(dá)100%，并且無(wú)需從頭合成DNA序列進(jìn)行編碼，將DNA活字存儲(chǔ)成本降至122美元/MB（主流DNA存儲(chǔ)3500美元/MB），推動(dòng)DNA存儲(chǔ)技術(shù)邁向?qū)嵱没?/p>
圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院北京基因組研究所（國(guó)家生物信息中心）官網(wǎng)
圖2 “畢昇一號(hào)”DNA活字存儲(chǔ)流程圖
三、優(yōu)勢(shì)分析
與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方式相比，DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要具有以下三大優(yōu)勢(shì)：
超高存儲(chǔ)密度：DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的超高存儲(chǔ)密度堪稱“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界的奇跡”，1克DNA就能容納約215PB的數(shù)據(jù)（約1000萬(wàn)小時(shí)高清視頻），理論上一噸DNA即可存儲(chǔ)全球現(xiàn)有數(shù)據(jù)總量，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硬盤(pán)或磁帶的容量極限。
超長(zhǎng)存儲(chǔ)壽命：DNA具有高度穩(wěn)定性，在適宜條件下，可保存數(shù)千年乃至更久。近年科學(xué)家曾從格陵蘭島凍土中成功提取200萬(wàn)年前的DNA序列，其中信息仍歷歷可辨。相比硬盤(pán)等傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)幾年到十幾年的使用壽命，DNA存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)顯著。
超低能耗：傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心每存儲(chǔ)1PB數(shù)據(jù)，每年的耗電量大致在8萬(wàn)-30萬(wàn)度電；與之相比，DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)僅在DNA合成、編碼過(guò)程中產(chǎn)生少量能耗，一旦數(shù)據(jù)寫(xiě)入完成，僅需基礎(chǔ)的冷藏保存條件，后續(xù)能耗幾乎可忽略不計(jì)。
四、面臨的挑戰(zhàn)
存儲(chǔ)成本高。當(dāng)下，主流DNA存儲(chǔ)多以化學(xué)合成堿基來(lái)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)久且成本高。雖然以“畢昇一號(hào)”為代表的創(chuàng)新技術(shù)已將DNA活字存儲(chǔ)成本降至122美元/MB，但與傳統(tǒng)硬盤(pán)、閃存每MB不到0.01美元的成本相比，仍存在巨大差距。
讀寫(xiě)速度慢。相較于硬盤(pán)、閃存等讀寫(xiě)速度最快可達(dá)到數(shù)百/數(shù)千MB/S，DNA存儲(chǔ)寫(xiě)入速度目前每天僅能達(dá)到MB量級(jí)，讀取速度同樣遲緩。傳統(tǒng)DNA存儲(chǔ)依賴逐條合成與測(cè)序，在DNA合成過(guò)程中，每添加一個(gè)堿基所需時(shí)間大約為0.1秒鐘，這使得整體寫(xiě)入過(guò)程極為緩慢。
DNA合成出現(xiàn)錯(cuò)誤。在DNA合成過(guò)程中易出現(xiàn)堿基缺失錯(cuò)誤，每堿基發(fā)生率約0.2%～1%。這類缺失會(huì)導(dǎo)致序列閱讀框移位，進(jìn)而使解碼時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)連貫性偏差，為準(zhǔn)確還原存儲(chǔ)信息帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。此外，合成中還可能伴隨少量堿基插入或替換錯(cuò)誤，進(jìn)一步增加了數(shù)據(jù)解碼的復(fù)雜性。
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。目前DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)尚未形成統(tǒng)一的行業(yè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，不同的實(shí)驗(yàn)室科研人員和企業(yè)使用者在操作DNA存儲(chǔ)介質(zhì)時(shí)，無(wú)法按照同樣的方式來(lái)進(jìn)行DNA存儲(chǔ)和讀取，這阻礙了DNA信息存儲(chǔ)技術(shù)走向商業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程。
五、發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)策建議
DNA存儲(chǔ)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)正促使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。在長(zhǎng)期冷數(shù)據(jù)（國(guó)家歷史檔案、珍貴文物資料等）存儲(chǔ)方面，其超長(zhǎng)存儲(chǔ)時(shí)間和高存儲(chǔ)密度特性使其成為理想選擇。在航天領(lǐng)域，低能耗、高穩(wěn)定性和高存儲(chǔ)密度讓它有望用于存儲(chǔ)航天器飛行數(shù)據(jù)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等。在醫(yī)療健康領(lǐng)域，能用于長(zhǎng)期保存患者個(gè)體基因數(shù)據(jù)。未來(lái)DNA存儲(chǔ)將走進(jìn)千家萬(wàn)戶，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)市場(chǎng)占據(jù)重要地位，與傳統(tǒng)存儲(chǔ)方式共同構(gòu)建多元化存儲(chǔ)格局。
建議加快推動(dòng)DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)與人工智能、生物信息學(xué)等前沿技術(shù)的交叉融合，通過(guò)跨學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新突破技術(shù)瓶頸；積極開(kāi)展與大型數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等合作，以應(yīng)用場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)技術(shù)迭代；同時(shí)，加強(qiáng)國(guó)際間技術(shù)交流與合作，共同推動(dòng)DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定與應(yīng)用推廣，加速新技術(shù)的成熟與普及。期待DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)在未來(lái)能夠徹底改變數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格局，開(kāi)啟一個(gè)全新的“碳基”存儲(chǔ)時(shí)代。
參考文獻(xiàn)
[1]董一名,孫法家,武瑞君,錢(qián)瓏.DNA數(shù)字信息存儲(chǔ)的研究進(jìn)展[J].合成生物學(xué),2021,2(3):323-334.
[2]DNA存儲(chǔ)技術(shù)及其在檔案信息存儲(chǔ)中應(yīng)用的可能［EB/OL］.https://mp.weixin.qq.com/s/-nDb4qK3wWQda0pk-oO2pg
[3]基因合成驅(qū)動(dòng)DNA存儲(chǔ)：開(kāi)啟萬(wàn)億數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的新時(shí)代［EB/OL］.
https://mp.weixin.qq.com/s/0nP3E4_GVFCnUJY_5zEV8w
作者介紹
趙瑞鑫
中級(jí)經(jīng)濟(jì)師
長(zhǎng)期關(guān)注研究生物經(jīng)濟(jì)、醫(yī)藥健康等領(lǐng)域，深度參與《北京合成生物發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展路徑研究》《北京市“十五五”時(shí)期生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析服務(wù)》《完善北京市支持創(chuàng)新藥械發(fā)展的監(jiān)管和支付機(jī)制研究》等多項(xiàng)北京市相關(guān)產(chǎn)業(yè)研究、政策制定等咨詢服務(wù)，獲2025年北京市優(yōu)秀咨詢成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。
嚴(yán)一凡
咨詢師
長(zhǎng)期關(guān)注研究生物經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域，深度參與《國(guó)家生物制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心創(chuàng)新能力建設(shè)項(xiàng)目》《北京合成生物發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展路徑研究》等多項(xiàng)生物領(lǐng)域咨詢項(xiàng)目，在北京市生物產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃、政策制定等方面擁有豐富實(shí)踐，獲2025年北京市優(yōu)秀咨詢成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。
編輯：張 華
審核：蘭國(guó)威
