北京—— 在信息爆炸的时代，数据存储的挑战日益严峻。面对海量数据的存储需求，传统存储介质的局限性日益凸显。然而，中国科学家们从古老的活字印刷术中汲取灵感，成功研发出一种经济高效的DNA活字存储方法，并在此基础上打造出DNA活字喷墨打印机“毕昇一号”。这一突破性成果不仅为解决大数据存储困境提供了新的思路，也标志着中国在DNA存储领域迈出了重要一步。
这项由中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）领衔，联合中国科学院计算技术研究所等单位共同完成的研究，以封面文章的形式发表于国际顶尖学术期刊《Advanced Science》上，引发了全球科学界的广泛关注。
DNA存储：大数据时代的“诺亚方舟”
随着互联网、物联网、人工智能等技术的飞速发展，全球数据量正以惊人的速度增长。据预测，未来几年内，全球数据总量将达到ZB级别，甚至更高。面对如此庞大的数据规模，传统的硬盘、闪存等存储介质在容量、寿命、能耗等方面都面临着严峻的挑战。
在这种背景下，DNA存储技术应运而生。DNA（脱氧核糖核酸）是生物体内的遗传物质，具有天然的信息存储能力。它以A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）四种碱基为基础，可以编码大量的信息。与传统存储介质相比，DNA存储具有以下显著优势：
- 超高密度： DNA的存储密度是现有存储介质的10的7次方倍，这意味着在极小的空间内可以存储海量的数据。
- 超长寿命： 在低温干燥的条件下，DNA可以稳定保存数百万年甚至数千万年，远超传统存储介质的寿命。
- 超低能耗： DNA存储不需要持续供电，能耗极低，有利于降低数据中心的运营成本。
基于以上优势，DNA存储被认为是解决大数据存储困境的极具潜力的替代方案，被誉为大数据时代的“诺亚方舟”。
“雕版印刷”的局限：DNA存储面临的挑战
尽管DNA存储前景广阔，但目前的技术发展仍面临诸多挑战。其中，合成成本高、耗时长是制约DNA存储技术实际应用的关键瓶颈。
目前，绝大多数DNA数据存储技术采用类似“雕版印刷”的设计策略，即根据需要存储的数据，从头合成相应的DNA序列。这种方法虽然原理简单，但成本高昂，效率低下。
具体来说，从头合成DNA序列需要大量的化学试剂和复杂的合成设备，而且合成过程耗时较长。此外，由于DNA合成过程中存在一定的错误率，还需要进行额外的纠错处理，进一步增加了成本和时间。
因此，如何降低DNA合成成本、提高合成效率，是推动DNA存储技术走向实用化的关键。
活字印刷术的启示：“DNA活字存储”的创新思路
面对现有DNA存储技术的应用瓶颈，中国科学院北京基因组研究所的科研人员从中国古代四大发明之一的活字印刷术中汲取灵感，提出了一种经济高效的“DNA活字存储”设计思路。
活字印刷术的核心思想是将常用的文字预先制作成一个个独立的活字，然后根据需要进行组合排版，印刷完成后可以重复使用。这种方法大大提高了印刷效率，降低了印刷成本。
受此启发，科研人员将DNA序列也设计成一个个独立的“DNA活字”，每个活字由预制的20个核苷酸（nt）短双链DNA片段构成，可以编码1字节的内容、地址或校验数据信息。每个片段两端带有4 nt的粘性末端，通过一步多级酶连技术形成DNA活字块。最终，这些活字块可以通过活字块两端的限制性酶切位点克隆到质粒中直接体外保存，也可以通过转化大肠杆菌体内保存。
与传统的“雕版印刷”式DNA存储相比，“DNA活字存储”具有以下显著优势：
- 降低合成成本： 只需要预先合成少量的“DNA活字”，就可以通过组合排版来存储大量的数据，大大降低了合成成本。
- 提高存储效率： 通过一步多级酶连技术可以快速组装DNA活字块，提高了存储效率。
- 可重复使用： “DNA活字”可以重复使用，进一步降低了存储成本。
“毕昇一号”：DNA活字喷墨打印机的问世
为了实现DNA活字存储流程的自动化，科研团队还研发了一款可实现DNA活字高通量打印写入的设备——DNA活字喷墨打印机“毕昇一号”。
“毕昇一号”的工作原理类似于传统的喷墨打印机，但它喷射的不是墨水，而是“DNA活字”。通过精确控制喷头的运动，可以将不同的“DNA活字”喷射到指定的位置，从而实现数据的写入。
“毕昇一号”的问世，标志着DNA活字存储技术向自动化、高通量方向迈出了重要一步。
100%精准解码：DNA活字存储的卓越性能
为了验证DNA活字存储技术的性能，科研团队利用“毕昇一号”成功打印存储并100%精准解码了文本、图片、音频和视频等多种类型的计算机数据存储文件。
实验结果表明，DNA活字存储技术具有卓越的性能：
- 高精度： 可以实现100%精准解码，保证了数据的完整性和可靠性。
- 高效率： 初代系统的打印效率约为4字节/秒，远高于目前的从头合成的DNA存储技术。
- 低成本： 研究团队估算目前初代系统一个DNA活字可打印10000次，存储成本可降至122美元/MB，低于目前所有报道的DNA数据存储系统。
未来展望：DNA存储的广阔前景
“毕昇一号”的问世，为DNA存储技术的发展注入了新的活力。尽管目前DNA存储技术仍处于起步阶段，但随着技术的不断进步和成本的不断降低，它有望在未来发挥重要作用。
以下是一些DNA存储的潜在应用场景：
- 长期数据备份： DNA存储具有超长寿命的特点，非常适合用于长期数据备份，例如保存重要的历史档案、科学数据等。
- 冷数据存储： 对于访问频率较低的冷数据，可以使用DNA存储进行归档，降低存储成本。
- 高密度数据存储： 在需要极高存储密度的场合，例如空间探测、生物医学等领域，DNA存储具有独特的优势。
- 数据安全： DNA存储具有天然的安全性，可以有效防止数据被篡改或泄露。
挑战与机遇并存
尽管DNA存储前景广阔，但仍面临着诸多挑战。例如，DNA合成和测序的成本仍然较高，存储和读取速度仍有待提高，标准化和兼容性问题也需要解决。
然而，挑战与机遇并存。随着技术的不断进步和产业的不断发展，相信这些问题终将得到解决。
结语
中国科学家在DNA存储领域取得的突破性进展，不仅为解决大数据存储困境提供了新的思路，也为中国在未来信息技术领域占据领先地位奠定了基础。
“毕昇一号”的问世，是古老智慧与现代科技的完美结合，它让我们看到了DNA存储技术的巨大潜力。相信在不久的将来，DNA存储将成为一种重要的存储方式，为人类社会的发展做出更大的贡献。
参考文献：
- 相关成果论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202411354
- IT之家新闻报道：https://www.ithome.com/0/758/426.htm
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