世界上每一天都有海量數(shù)據(jù)產(chǎn)生，全球數(shù)據(jù)總量每兩年翻一番，傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)正面臨密度、壽命與能耗的極限。我們急需一場存儲(chǔ)革命。

解決之道可能就蘊(yùn)藏在生命本身的密碼中。從冰川中復(fù)蘇的遠(yuǎn)古生物基因，證明了DNA作為信息載體的超凡耐久性。如今，科學(xué)家正學(xué)習(xí)大自然的智慧，將數(shù)字世界紛繁復(fù)雜的文本、圖片與影像，編譯成由A、T、C、G四個(gè)堿基書寫的新密碼。這不僅是技術(shù)的跨界融合，更可能是一場關(guān)乎文明傳承與信息存續(xù)的深刻變革。

存儲(chǔ)革命：生物技術(shù)的新篇章

進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，全球每天產(chǎn)生約2.5艾字節(jié)(EB)的數(shù)據(jù)——若刻錄成DVD，這些光盤疊起來的高度足以繞地球兩圈。

傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)如硬盤、磁帶和光盤卻面臨著瓶頸。它們不僅壽命有限，通常只有幾年到十幾年，而且存儲(chǔ)密度接近物理極限。更重要的是，維持這些存儲(chǔ)設(shè)備的運(yùn)行需要消耗驚人的能源。

DNA存儲(chǔ)的概念應(yīng)運(yùn)而生。DNA存儲(chǔ)技術(shù)是利用人工合成脫氧核糖核酸（DNA）存儲(chǔ)數(shù)字信息的劃時(shí)代存儲(chǔ)技術(shù)，具有高效、存儲(chǔ)量大、保存周期長等特點(diǎn)。其核心是將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DNA的A、T、C、G堿基序列編碼，通過合成冗余片段確保數(shù)據(jù)容錯(cuò)性，并借助分子實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)行解碼讀取。自20世紀(jì)60年代科學(xué)家首次提出“遺傳記憶”構(gòu)想，到1988年哈佛大學(xué)戴維斯教授首次實(shí)現(xiàn)DNA信息存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)技術(shù)已走過了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程。

超越傳統(tǒng)：為何DNA存儲(chǔ)更勝一籌

與傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)相比，DNA存儲(chǔ)展現(xiàn)出壓倒性優(yōu)勢。

• 一塊標(biāo)準(zhǔn)的3.5英寸硬盤可存儲(chǔ)約18TB數(shù)據(jù)，而同等體積的DNA理論上可存儲(chǔ)約10億TB數(shù)據(jù)，密度高出5000萬倍。
• 云存儲(chǔ)服務(wù)雖然方便，但數(shù)據(jù)中心的能源消耗占全球電力消耗的約2%，而DNA存儲(chǔ)僅需在寫入和讀取時(shí)消耗能量，保存階段幾乎零能耗。
• 在耐久性方面，DNA更是完勝。傳統(tǒng)硬盤壽命通常為3-5年，優(yōu)質(zhì)磁帶最多保存30年，而DNA在適宜條件下可保存數(shù)千年甚至更久。這為解決長期數(shù)據(jù)保存問題提供了革命性方案。
• DNA存儲(chǔ)還具有與生俱來的并行處理能力。不同于傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備的串行讀寫，DNA分子可以同時(shí)進(jìn)行大量化學(xué)反應(yīng)，理論上可實(shí)現(xiàn)極高的數(shù)據(jù)吞吐量。

核心技術(shù)：編碼與解碼的生命密碼

DNA存儲(chǔ)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要包括三大步驟：編碼、合成與讀取。

1.編碼——將數(shù)據(jù)寫入DNA

編碼是DNA存儲(chǔ)的首要步驟，負(fù)責(zé)將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為由A、T、C、G四個(gè)堿基組成的DNA序列。簡單來說，就是將數(shù)字信息翻譯成生命語言。科學(xué)家通常依據(jù)DNA核苷酸合成的限制和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。比如,規(guī)定每2個(gè)二進(jìn)制位對(duì)應(yīng)一種核苷酸組合,00對(duì)應(yīng)A,01對(duì)應(yīng)T,10對(duì)應(yīng)G,11對(duì)應(yīng)C等。

不過,將數(shù)字信息準(zhǔn)確編碼為DNA序列并非易事,需要設(shè)計(jì)合適的編碼算法和方案。一方面要確保信息能夠完整、準(zhǔn)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(chǔ)和讀取過程中實(shí)現(xiàn)高效操作。

2.合成——合成DNA鏈

合成階段則是根據(jù)編碼結(jié)果，利用化學(xué)或生物方法合成對(duì)應(yīng)的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,但其合成速度慢、成本高。而國家生物信息中心與中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“DNA活字印刷”技術(shù)改變了這一局面[1]。

借鑒我國古代四大發(fā)明之“活字印刷術(shù)”邏輯，創(chuàng)新提出了一種經(jīng)濟(jì)高效的“DNA活字存儲(chǔ)”設(shè)計(jì)思路，直接研發(fā)了名為“畢昇一號(hào)”的DNA活字噴墨打印機(jī)，將數(shù)字信息“打印”到DNA中，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)流程自動(dòng)化。這種方法使用預(yù)制的“DNA活字”和長鏈模板，像活字印刷一樣并行排列，大幅提高了寫入速度和效率，使單次反應(yīng)的信息寫入通量達(dá)到傳統(tǒng)方法的350倍。

畢昇一號(hào)[1]

3.存儲(chǔ)與讀取——保障數(shù)據(jù)的保存與恢復(fù)

DNA存儲(chǔ)對(duì)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(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。而讀取DNA存儲(chǔ)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。

天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新技術(shù)，特別針對(duì)納米孔測序的高出錯(cuò)率，設(shè)計(jì)了PNC-LDPC編碼方法，將插入/刪節(jié)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)化為更易糾正的擦除錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)了分鐘級(jí)快速讀取，準(zhǔn)確率也大幅提升[2]。

納米孔測序進(jìn)行實(shí)時(shí)讀出的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[2]

前沿動(dòng)態(tài)：從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)應(yīng)用

在應(yīng)用層面，DNA存儲(chǔ)的商業(yè)化進(jìn)程也邁出了關(guān)鍵一步。2024年12月7日，美國DNA存儲(chǔ)技術(shù)初創(chuàng)公司Atlas Data Storage宣布推出全球首個(gè)可擴(kuò)展的DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案——Atlas Eon 100[3]。

這家公司并非向大眾市場推出DNA存儲(chǔ)硬件，而是提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)，并宣稱其存儲(chǔ)膠囊能夠保存數(shù)據(jù)數(shù)千年而無需刷新，且在高達(dá)40攝氏度的環(huán)境下保持穩(wěn)定。

該公司的技術(shù)已能夠?qū)€(gè)人珍貴回憶轉(zhuǎn)化為DNA形式保存，讓普通人也能夠接觸這項(xiàng)前沿科技。

未來，DNA存儲(chǔ)可能在以下領(lǐng)域率先應(yīng)用：

• 需要長期保存的國家檔案和文化遺產(chǎn)；
• 航天領(lǐng)域的太空數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，因其高密度和低能耗特性；
• 生物醫(yī)學(xué)中的基因數(shù)據(jù)和醫(yī)療記錄保存；
• 高隱私要求的個(gè)人數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

隨著成本下降和技術(shù)成熟，DNA存儲(chǔ)有望從特定領(lǐng)域逐步擴(kuò)展到更廣泛的應(yīng)用場景，最終可能成為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的重要方式之一。

泓迅生物一站式DNA存儲(chǔ)解決方案

泓迅生物可提供“基因合成+DNA存儲(chǔ)”一站式解決方案，正成為行業(yè)的重要參與者。

泓迅生物的核心優(yōu)勢在于其自主開發(fā)的DNA Studio^TM信息存儲(chǔ)平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了從中英文字符到A、T、C、G四個(gè)堿基的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，將文字信息轉(zhuǎn)化為可存儲(chǔ)的DNA序列。

泓迅生物將合成生物學(xué)的前沿技術(shù)與信息科學(xué)深度結(jié)合，構(gòu)建了從編碼、合成到存儲(chǔ)、讀取的完整閉環(huán)。

為什么選擇泓迅

• 領(lǐng)先的技術(shù)優(yōu)勢—AI賦能的合成生物學(xué)技術(shù)

• 我們可以做—高難度的序列合成

• 更高的價(jià)值服務(wù)—一站式生物分子解決方案

[1]Wang C, Wei D, Wei Z, et al. Cost-Effective DNA Storage System with DNA Movable Type. Adv Sci (Weinh). 2025 Mar;12(9):e2411354.

[2]Chen W, Qin R, Guo Q, Guo J, Ge Q, Yuan Y. Approaching single-molecule assembly-free readout from medium-length encoded DNA. Nat Commun. 2025 Nov 17;16(1):10059.

[3]美國公司推出全球首個(gè)可擴(kuò)展DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案．IT之家．2025-12-07