来源：熊卓
大家好，我是清华大学机械工程系的教授熊卓，很高兴在这里分享我的团队对于DNA存储领域的了解和思考。
DNA是我们很熟悉的生物大分子，但“DNA存储”一词对大家仍较为陌生。DNA存储是指通过DNA分子来进行数据存储的技术，借助DNA分子极小的基本单元及其生物特性，实现数据存储。
计算机中通过“0”、“1”排布实现数据存储，DNA中则可通过碱基“A”、“T”、“C”、“G”的排布来实现数据存储。由于DNA单个核苷酸尺寸极小，且分子结构稳定，DNA存储具备极高的信息密度和稳定性。理论上，1克DNA可存储约215PB的数据，能装10000亿本《红楼梦》，且在理想条件下可保存数千年。
DNA存储从实现走向成熟
尽管DNA存储的想法在上世纪60年代就已经出现，但长期以来缺少行之有效的实现方法。随着DNA合成与测序技术的快速进步，在过去25年中研究人员已成功将DNA存储变为现实，并将文本、图像、音频等多种类型的数据存进DNA。
2012年，哈佛大学的研究人员成功将数百KB的数据存储于DNA中，标志着DNA存储从理论走向现实。
2017年，微软和华盛顿大学的团队实现了对超过200MB数据的存储与访问，标志着DNA存储技术向成熟迈出重要一步。
近年来，编码和纠错技术取得显著进展。通过喷泉编码、RS纠错编码等方法，DNA存储的密度逼近理论极限，并且在合成与测序存在错误的情况下仍可恢复数据。
创新的存储方法“百花齐放”
除了传统的DNA序列存储，研究人员探索了基于DNA纳米结构和生物集成的存储方法。
樊春海院士团队（上海交通大学）利用DNA折纸术开发了加密存储方法。他们在DNA平面结构上添加可通过原子力显微镜探针识别的凸起结构，通过特定DNA输入改变结构图像，实现状态切换和加密。这种方法提升了存储安全性和纳米尺度的可编程性。
北京大学钱珑团队与张成团队合作开发的“epi-bit”方法，通过表观遗传修饰（如DNA甲基化）编码数据，避免了传统DNA合成的逐一添加核苷酸过程，实现并行和可编程写入。实验中，60名志愿者通过简单工具包完成数据编码和读取，展现了低成本和易用性。
元英进院士团队（天津大学）利用酵母人工染色体将数据嵌入活体细胞基因组。他们开发了一种DNA可移动存储系统，使用预生成的DNA片段作为“可移动类型”，通过快速组装实现数据写入。这种方法避免了高成本的DNA合成过程，为生物集成存储提供了可持续的解决方案。
东南大学刘宏教授团队通过电化学方法替代传统化学合成，显著提高DNA合成效率。他们将DNA序列存储在电极上，通过读取特定电信号获取信息，简化了读取过程。此外，他们实现了DNA合成与测序的仪器集成，提升了技术便捷性。
我们的团队提出了一种将DNA存储与纳米点阵存储相结合的双模式存储方法，将DNA连接在固相基底上，分别在DNA分子和基底上的纳米点阵中存储相关联的详细数据和概要数据（包括预览数据、索引数据和引物信息），更好地对DNA文件进行了管理，提高了索引效果。
实用化的关键：随机访问技术的突破
DNA存储实用化的关键在于实现数据的随机访问。由于DNA分子通常以混合池形式存储，快速定位目标数据是一大挑战。近年来，研究人员开发了多种方法来实现这一目标，包括特异性PCR扩增和物理检索。
其中，特异性PCR扩增利用特定引物进行特异性PCR扩增，实现对特定数据块的随机访问。物理检索则通过物理分隔方法将不同的DNA分子直接划分至不同的可寻址区域，如热响应性微胶囊、磁珠、微盘片甚至细菌微球中，通过对这些微单元进行索引以读取目标DNA文件。
我们也开发了一种基于“细菌彩珠硬盘”的DNA存储技术，将编码后的DNA信息插入带有荧光表达功能的质粒中，并转化至细菌内。随后，利用微流控技术将细菌封装于水凝胶微球中，实现快速随机访问和室温长期保存。该系统理论最大存储量可达260，700 PB（约254 EB，即2.6亿TB），仅需1.5立方米的空间（接近家用冰箱体积）即可存储该量级的数据。
ELMM特别适用于数据中心的冷存储场景。其室温存储特性可减少90%以上的制冷能耗，而生物自复制能力使数据备份成本趋近于零。实测检索速度达196.72 MB/s，超过磁带库（160 MB/s），可作为低频数据存储层，与SSD/HDD形成分级存储体系。
尽管DNA存储技术在现阶段仍面临成本高、写入速度慢等挑战，但长期来看，其在数据存储方面的潜力不可忽视。未来，DNA存储有望在多个领域展现其独特价值，并通过技术进步和产业化推动实现更广泛的应用。以下是对未来发展的几点畅想：
技术突破与成本降低
随着DNA合成和测序技术的持续进步，预计未来五到十年内，DNA存储的成本将显著下降。例如，新型的酶促DNA合成技术可能取代传统的化学合成方法，大幅降低合成成本和时间。同时，高通量测序技术的进步将提高读取速度和准确性。研究人员还在探索利用非天然核苷酸或化学修饰DNA分子来进一步提高存储密度和稳定性。
标准化与自动化
目前DNA存储的流程高度依赖人工操作，未来标准化和自动化设备的开发将是关键。统一的编码格式、纠错机制和数据访问协议将推动DNA存储的商业化进程。自动化DNA存储设备的出现，例如集成的DNA合成、保存和读取一体机，将使DNA存储像今天的硬盘一样易于使用。
档案保存与文化遗产保护
DNA存储因其超高密度和长期稳定性，非常适合用于档案保存和文化遗产保护。例如，全球重要文献、艺术作品的数字化副本，甚至濒危语言的音频记录，都可以通过DNA存储实现数千年的保存。未来，国际机构如联合国教科文组织可能推动建立全球DNA数据档案库，用于保护人类文明的数字遗产。
DNA存储中心的兴起未来五到十年内，DNA存储中心可能开始投入使用。这些中心将类似于传统数据中心，但规模更小、能耗更低，专门用于存储需要长期保存的数据。它们可能率先在政府档案馆、博物馆或大型科技公司中部署，标志着DNA存储从实验室走向实际应用。
绿色存储与可持续发展
传统数据中心耗能巨大，而DNA存储的能耗极低，符合绿色科技的发展趋势。未来，DNA存储中心可能采用生物基材料和可再生能源进行数据存储与维护，进一步减少碳足迹。结合合成生物学，DNA存储还可能实现数据的“生物循环”，通过微生物降解和再合成实现数据的可持续管理。
生物计算与存储一体化
NA存储的未来不仅限于数据存储，还可能与生物计算结合，形成存储与计算一体化的全新范式。例如，利用DNA分子在细胞内的动态重组特性，开发能够在存储数据的同时进行逻辑运算的系统。
跨领域应用与社会影响
DNA存储的潜在应用远不止档案保存。例如，在医疗领域，DNA存储可用于存储个人基因组数据和健康记录，实现个性化医疗；在航天领域，DNA存储可用于在极端环境下保存任务数据。此外，DNA存储还可能催生全新的加密技术，利用DNA分子的复杂性和生物特性开发极安全的安全存储方案。然而，DNA存储的普及也可能带来伦理和安全挑战，如数据隐私、生物安全等问题，需要制定相应的国际标准甚至法规。
总体来看，DNA存储作为一项前沿技术，正在从梦想逐步走向现实。尽管当前仍面临技术挑战，但其在信息密度、稳定性、低能耗和可持续性方面的独特优势，使其成为未来数据存储的重要方向。
我相信，随着技术的进步和应用的拓展，DNA存储有望重塑我们对数据存储的认知，为人类文明的数字保存和可持续发展提供全新的解决方案。我们期待这一领域在未来十年内迎来更多突破，也希望更多人关注并参与到DNA存储的研究与应用中。