2025-03-22 08:00:03
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(lái)了(le)一(yī)个(gè)巨(jù)大(dà)的(de)挑(tiāo)战(zhàn)：如(rú)何(hé)高(gāo)效(xiào)、可(kě)持(chí)续(xù)地(de)存(cún)储(chǔ)如(rú)此(cǐ)庞(páng)大(dà)的(de)信(xìn)息(xi)？
目(mù)前(qián)，传(chuán)统(tǒng)的(de)硬(yìng)盘(pán)、固(gù)态(tài)硬(yìng)盘(pán)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(dù)增(zēng)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(yī)种(zhǒng)方(fāng)式(shì)，既(jì)能(néng)高(gāo)密(mì)度(dù)存(cún)储(chǔ)庞(páng)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，作为遗传信息的载体，具有天然的优势：
• 超高储存(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）的数据，相当于可以容纳 1千万小时的高清视频内容。
• 超长保存时间：在适宜的条件下（比如避免接触湿气和紫外线，因为它们会破坏分子结构），DNA 的化学稳定性允许其保存数十万年。
• 环境友好：DNA是一种不需要持续供电的存储介质，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（鸟嘌(piào)呤(lìng)），也(yě)就是四种碱基。这四种碱基各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，将数据映射为一段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，长链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。这种新技术不依赖于从头合成DNA，而是利用现有的DNA分子进行数据存储，就像在纸上印刷文字一样，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(de)单(dān)链(liàn)DNA载(zài)体(tǐ)，可(kě)以(yǐ)看(kàn)作(zuò)是(shì)数(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ)的(de)“纸(zhǐ)张(zhāng)”。他(tā)们(men)还(hái)设(shè)计(jì)了(le)一(yī)系(xì)列(liè)互(hù)补(bǔ)的(de)短(duǎn)单(dān)链(liàn)DNA，称(chēng)为(wèi)“文字(zì)库(kù)”，这(zhè)些(xiē)短(duǎn)链(liàn)DNA能(néng)够(gòu)与(yǔ)载(zài)体(tǐ)的(de)特(tè)定(dìng)位(wèi)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(shàng)进(jìn)行(xíng)修(xiū)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(rù)，每(měi)次(cì)反(fǎn)应(yīng)可(kě)以(yǐ)写(xiě)入(rù)350比(bǐ)特(tè)的(de)数(shù)据(jù)。
新(xīn)研(yán)究(jiū)表(biǎo)明(míng)，DNA存(cún)储(chǔ)的(de)潜(qián)力(lì)正(zhèng)在(zài)逐(zhú)渐(jiàn)显(xiǎn)现(xiàn)。凭(píng)借(jiè)其(qí)高(gāo)密(mì)度(dù)、长(zhǎng)寿(shòu)命(mìng)和(hé)低(dī)能(néng)耗(hào)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(men)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(zhě)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(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)技(jì)术(shù)出(chū)版(bǎn)社(shè)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)、北(běi)京(jīng)中(zhōng)科(kē)星(xīng)河(hé)文化(huà)传(chuán)媒(méi)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)
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