自從二進制成為計算機語言，人類社會的發展速度大幅加快，0與1在無數電路中改變了人類生活的方式。計算機的出現如同信息時代的一次大爆炸，讓人類可以快速處理大量的數據，無論是日常生活還是科學前沿研究都有了翻天覆地的變化。

大量的數據，帶來了變革，也帶來了考驗。據統計，2021年全球數據總量達到84.5ZB。（1ZB=1021B）如此龐大的數據量不但對算力提出了高要求，對存力也提出了極高的要求。為了存儲如此大的數據，數據也住進了數據中心這樣的“樓房”之中。在2024年前，全球超大規模的數據中心數量可能達到1000個。數據中心越建越多，但土地資源有限，修建數據中心的“摩天大樓”是一件奢侈的事情，于是提高數據存儲密度成為另外一種解決方案。

為了尋找更高效能的存儲載體，研究者將目光對準到了自然界中遺傳信息的載體DNA。作為遺傳學名詞，大眾對DNA并不陌生。在遺傳過程中，DNA序列存儲了遺傳信息，進而通過轉錄、翻譯的過程將遺傳信息復制，以維持生物發育和正常運作。曾有研究者猜想，外星人（或者高等文明）把一些信息存放在了生物的基因組中，等待人類會解密。這看似科幻小說中的猜測，其實是基于一個重要事實：DNA已經傳遞了人類千百年來演進中重要信息，是已知的最密集和最穩定的信息媒介之一。

DNA存儲技術如何實現，又能帶來怎樣的改變？

01、DNA存儲靠譜嗎？

技術層面上來看，DNA存儲已經被證明是可行的。

用DNA存儲信息的想法可以追溯到分子生物學出現的時期。生物化學家Frederick Sanger發明了Sanger測序法讓DNA序列可以測量，從此人類可以讀出以代號為A、T、C、G，排列組合而成的核苷酸序列。既然0與1可以成為計算機語言，那么用DNA序列傳遞特定信息同樣有可能實現。不過在當時，合成一條10堿基的DNA序列需要花費6000美元，雖然材料性能不錯，價格過于高昂。

DNA數字數據存儲的主要步驟

隨著DNA 合成和測序新技術的發展， DNA 作為數字存儲介質不再是天方夜譚。2001年，一個研究組將兩句狄更斯的名言寫入到DNA序列中。用三個堿基代表一個英文字母，比如A=AAA， B=AAC。2009年，有研究組成功將兒歌“瑪麗有只小羊羔”的歌詞、樂譜和一張圖片編碼到一組DNA序列集合中。

DNA存儲的優勢主要有兩個。一是存儲條件簡單，對于 DNA只要保持足夠低的溫度，數據就可以保存數千年，因此擁有成本幾乎降至零；DNA能夠以遠超電子設備裝置的密度精準地裝載海量數據。DNA存儲技術更適用于存儲重要且無需經常訪問、調用的“冷數據”。“冷數據”在接近零能耗的情況下，理論上來看可保存千年以上。在未來DNA存儲極有可能成為龐大冷數據存儲的主要存儲介質。

二是DNA存儲密度大，占地面積小，如果以 DNA 的形式存儲，每部制作的電影都可以存儲在比方糖還小的空間中。哈佛大學 George Church 及其同事于 2016 年在Nature Materials上發表的計算，簡單細菌大腸桿菌的存儲密度約為每立方厘米1019比特。在這樣的密度下，一個邊長約一米的 DNA 立方體可以很好地滿足世界當前一年的存儲需求。從重量上看，每克DNA的數據存儲量能夠達到215PB，約為2,2544,3840千兆字節（GB），相當于22萬個1TB硬盤的數據存儲量。

02、DNA存儲已有突破

近幾年DNA存儲的研究已經取得了一些突破。DNA 已經被研究人員用來以不同的方式管理數據，這些研究人員正在努力理解海量數據。新一代測序技術的最新進展允許輕松同時讀取數十億個 DNA 序列。有了這種能力，研究人員可以使用 DNA 序列作為分子識別“標簽”來跟蹤實驗結果。

DNA 數字數據存儲相關主要成果的時間線（1995～2018）

哈佛大學的研究小組采用 CRISPR DNA 編輯技術將人手的圖像記錄到大腸桿菌的基因組中，讀取的準確率超過 90%。瑞士的研究人員設計出了一種“DNA-of-things”（DoT）存儲架構來生產具有不可變內存的材料。在 DoT 框架中，DNA 分子記錄數據，然后這些分子被封裝在納米二氧化硅納米珠中，這些二氧化硅珠融合到各種材料中，用于打印或鑄造任何形狀的物體。

?使用DoT技術打印3D兔子的過程

華盛頓大學和微軟研究院的研究人員已經開發出一種全自動系統，用于寫入、存儲和讀取 DNA 編碼的數據。

2021年12月，中國DNA存儲研究人員宣布開發出一種滑動芯片——這種微流體裝置能夠保存DNA化學物質及各種試劑。一個滑動芯片可以是一個電極，其電荷會隨DNA序列的存在/不存在而改變。

2022年天津大學合成生物學團隊成功將10幅精選敦煌壁畫存入DNA中，并表示這些壁畫信息在常溫下可保存千年，在9.4℃下可保存兩萬年。

03、巨頭背書的DNA存儲技術

縱使DNA存儲技術可能具有跨時代的意義，但是否能夠真的被應用呢？對此，存儲行業的巨頭持積極態度。美光科技高級研究員兼副總裁 Gurtej Sandhu 是最早參與DNA存儲技術研究的項目組成員之一。他在2016年參與了哈佛大學George M. Church的研究小組。希捷已經將Catalog的DNA存儲技術引入其“片上實驗室”。希捷的DNA存儲與微流體研究工程已經持續了兩年半，目前已知的專利申請有四項。

這家與希捷合作的公司是成立于2016年美國初創公司，Catalog曾經通過制作20-30個堿基對的DNA片段，并將這些片段用酶縫合起來，通過不同的順序排列，實現數據存儲。Catalog曾用DNA技術存儲了小說《銀河系漫游指南》和詩歌《未走的路》。

存儲巨頭看好DNA存儲技術，但DNA存儲賽道上更多的是以生物技術為核心的初創公司。這一現象的核心原因是DNA存儲技術的底層關鍵技術其實是DNA測序技術、DNA合成技術和DNA存儲技術。

DNA數據存儲技術的主要公司除了與希捷合作的Catalog還有美國創業公司Iridia。Iridia成立于2016年，旨在開發世界上第一個具有商業吸引力的基于DNA的數據存儲解決方案。通過結合DNA聚合物合成技術、電子納米開關和半導體制造技術，公司正在開發一種高度并行的格式，以使納米模塊陣列具有以極高密度存儲數據的潛力。

DNA合成技術的公司包括法國公司DNA Script、美國公司Molecular Assemblies。

DNA Script成立于2014年，公司專注于使用專有的無模板技術制造合成DNA。通過快速、經濟和高質量的DNA合成技術，大大加速新療法、可持續化學品生產、改良作物以及數據存儲等新應用的開發。公司特有的酶促技術和核苷酸化學合成平臺，可以合成更高純度的更長的DNA序列，使序列的精確性提高500倍，合成速度更快，耗時縮短50倍。

Molecular Assemblies成立于2013年，公司開發的酶促DNA合成技術，能夠為工業合成生物學、個性化治療、精確診斷，以及信息存儲、納米技術等領域的新產品提供動力。公司專有的DNA合成方法旨在提供經濟可靠、可持續地生產高質量、序列特異性的DNA。

Twist Bioscience成立于2013年，公司致力于為醫療、農業、工業化學品和數據存儲等領域的客戶提供高通量的DNA合成和測序服務。公司開發的基于半導體合成DNA制造工藝，將反應體積減少100萬倍，同時將產量提高1000倍，從而在單個硅片上全面合成9600個基因。2016年，微軟與Twist Bioscience簽訂協議訂購了約1000萬條DNA產品，用于測試DNA數據存儲能力。

DNA測序公司主要有英國公司Oxford Nanopore Technolog等。Oxford Nanopore Technologies成立于 2005 年，旨在開發基于納米孔科學的顛覆性電子單分子傳感系統。Oxford Nanopore Technologies開發了新一代傳感技術，該技術使用納米孔 - 納米級孔 - 嵌入高科技電子設備中，進行全面的分子分析。

中國方面，2019年，華為宣布成立戰略研究院，表示主要研發前沿技術，其中包括DNA存儲。2021年華為全球分析師大會上，華為董事、戰略研究院院長徐文偉表示將要借助DNA存儲來突破超大存儲空間模型和編碼技術，打破容量墻。

2021年05月26日，中科碳元（深圳）生物科技有限公司（C-ATOM）正式成立。今年9月中科碳元依托中國科學院深圳先進技術研究院戴俊彪研究員團隊前期在DNA存儲領域的積累，通過自主研發并擁有自主知識產權的DNA在線編解碼系統（簡稱“ATOM”），使用自主引進的合成儀及測序儀，成功完成了從編碼、合成、保存、測序、到解碼的DNA存儲技術路徑完整流程。

04、DNA存儲的挑戰與潛力

目前DNA存儲技術的落地還存在一些技術難題，中國科學院院士樊春海表示，在DNA存儲的合成過程中，數據輸入和讀取的效率仍不高，耗費的時間較長、成本較高。中國科學院院士、天津大學副校長元英進表示，DNA信息存儲是一個新興的、多學科深度交叉融合的研究方向。想要將DNA存儲技術商用，還需要多領域的研究團隊共同攻關。

如果只有成本是問題，那么這終能被解決。DNA存儲是最具潛力的數據存儲方式之一已經毋庸置疑。

編輯：黃飛

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