北京大学钱珑团队突破DNA存储技术，实现数据高效存储
北京大学钱珑团队突破DNA存储技术，实现数据高效存储
2024年10月，北京大学计算合成生物学家钱珑及其团队在《自然》杂志上发表了一项突破性研究，他们开发出一种新型DNA存储技术，通过表观遗传学原理实现了数据的高效存储。这一创新不仅显著降低了DNA存储的成本和时间，还为未来替代传统电子存储提供了可能的环保方案。
DNA存储技术：原理与优势
在数字化时代，数据存储面临着前所未有的挑战。传统硬盘、闪存等存储介质存在物理空间限制、能耗高和寿命有限等问题。而DNA存储技术因其独特的优势，被视为未来数据存储的重要发展方向。
DNA存储的基本原理是将二进制数字信息转化为由A、T、C、G四种碱基组成的DNA序列，并通过合成生物学技术将这些序列编码到DNA分子中。相比传统的硅基存储设备，DNA存储具有以下显著优势：
超高存储密度：据估计，每立方毫米的DNA可以存储约2.2拍字节（Petabytes）的数据，相当于2200TB，远超过目前最先进的硬盘存储密度。
长久保存：在适宜条件下，DNA可以在数千年甚至更长时间内保持稳定，极大地超越了当前磁带、硬盘等介质几十年的保存期限。
低能耗：DNA存储过程无需持续电力供应，只需要进行一次信息写入和读取操作时消耗能源。
环境友好：DNA是由自然界的生物分子构成，废弃后可自然降解，有利于实现可持续发展的目标。
钱珑团队的创新突破
尽管DNA存储的优势明显，但传统方法面临成本高昂、速度缓慢等挑战。钱珑团队的创新之处在于，他们没有采用传统的“从头合成”方式，而是开发了一种基于表观遗传学的新型存储方法。
表观遗传学关注的是基因表达的调控机制，其中甲基化是最常见的表观遗传修饰方式。钱珑团队利用这一原理，通过预制短DNA模块和选择性酶促甲基化，实现了数据的并行写入。
具体来说，他们设计了一套包含700种DNA“活字块”的系统。这些模块有的带有甲基基团，有的则没有。在反应管中，这些模块可以像搭积木一样组装成一条DNA链，形成代表二进制代码的序列。甲基化的存在与否直接对应二进制的0和1：有甲基表示“1”，无甲基表示“0”。
这种方法的优势在于：
- 简化了DNA合成过程，降低了对专门合成设备的依赖
- 实现了并行写入，大大提高了数据存储的效率
- 通过预制模块，可以进行批量生产，进一步降低成本
实验验证与应用前景
为了验证该技术的可行性和存储容量，研究团队进行了多项实验。他们成功将一幅汉代白虎瓦当的拓片和一张大熊猫在绿意盎然环境中的彩色图片编码进了DNA中。这些图像信息总共包含约27.5万比特的数据，相比此前发表的其他非传统DNA存储技术，数据规模提升了超过300倍。
更值得一提的是，研究团队还展示了这项技术的分布式存储应用潜力。他们邀请了60名来自不同背景的志愿者，让他们亲手将个人数据写入DNA并由个人保存。相关数据直到需要使用时才被读取，这种模式不仅能极大降低DNA存储的使用门槛，还能有效保障个人数据的隐私与安全。
商业化前景与挑战
尽管这一新技术展现了巨大的潜力，但在短期内要与传统电子存储技术竞争仍面临巨大挑战：
成本问题：虽然相比传统DNA存储方法成本已大幅降低，但与现有的电子存储技术相比，成本仍然偏高。
读取速度：DNA测序技术虽然在近年来取得了长足进展，但与电子数据存储的读取速度相比，仍存在显著差距。
技术成熟度：从实验室研究到大规模商业化应用，还需要解决许多工程化和标准化的问题。
未来，若能实现模块化DNA片段的工业化生产，DNA存储的成本将会进一步降低，推动其商业化应用。随着基因编辑技术的发展和生物计算领域的进步，DNA存储技术正逐步从概念验证阶段迈向实际应用阶段。它有望在未来大数据洪流中扮演重要角色，为人类社会提供一个持久、安全且环保的大容量存储解决方案。