微软研究院发布新型DNA存储方式，写入速度可提高1000倍

大数据存储即将不够用了。5G、物联网和人工智能等信息技术的快速发展，使得信息量呈指数级增长。据互联网数据中心（IDC）预测，2025 年，全球数据量将达到 175ZB（泽字节），5 年年均复合增长率 31.8%。若要将 175ZB 文件加载到 1TB 硬盘中，则需要转换大约 1750 亿个 1TB 硬盘。

（来源：IDC 数据报告）

DNA 高度紧凑，具有提供大容量信息存储的能力，是一种具有巨大潜力的数字信息存储介质。通过将生物 DNA 分子进行编码，可在 DNA 序列上存储信息。

近日，DNA 存储的先驱之一——微软研究院，研究出新的分子控制器，使 DNA 存储写入速度提高 1000 倍。微软团队与华盛顿大学分子信息实验室 (MISL) 合作设计了一种新方法，该研究论文发布在《科学进展》杂志上。在实验中，该控制器成功地展示了 “将 DNA 合成点打包得比以前紧密三个数量级” 的能力，这意味着它比以前快一千倍。

据估计，目前合成 1Mb 信息的价格可以达到 3500 美元。团队的科学家们表示，该方法通过增加 DNA 存储写入的吞吐量，能够大大降低编写合成 DNA 代码的成本，意义重大，可能有助于在未来实现商业化的 DNA 存储。

近几年来，DNA 存储快速发展。

一方面，DNA 存储为迎接即将到来的全球数据指数级增长的挑战带来了希望。DNA 存储理论最大存储密度可达到每立方英寸 1 艾字节，这意味着 9 泽字节的信息（1 泽字节构成 1 万亿千兆字节）可以全部存储在一个小冰箱的空间中；另一方面，DNA 存储可以比传统的计算机存储具有更低的碳足迹，使其成为迄今为止更优越且更环保的选择。

DNA 数据存储的基本过程按顺序分别为：编码 —— 将数字信息编码为 DNA 序列；合成 —— 将序列写入实际的 DNA 分子；存储 —— 将合成的 DNA 片段保存在载体或细胞中；访问 —— 检索和选择性读取序列信息；解码 —— 将测定的序列信息转换回数字信息。

目前，DNA 存储技术扩展的最大障碍是显著低效问题。科学家们只能成功地合成少量的 DNA，而且速度很慢。近一个月内，国内外相继在 DNA 存储领域取得新突破。

国内东南大学生物科学与医学工程学院、生物电子学国家重点实验室的刘宏团队在近日实现了 DNA 存储技术的新突破，成功将该校校训 “止于至善” 存入一段 DNA 序列。相关成果发表在国际学术期刊《科学进展》上。

“目前，国外 DNA 存储技术路线多使用市面上成熟的技术和产品，DNA 的合成与测序两个环节是分开的，需要大型仪器设备，操作相对复杂，我们团队立足自主开发，实现了 DNA 合成与测序环节的一体化，仪器设备也实现了小型化。” 刘宏在接受媒体采访时表示。

刘宏介绍，团队改进传统的化学合成方法，运用电化学方法，将东南大学校训 “止于至善” 4 个字 “翻译” 为 DNA 序列，并存储在电极上，随后又成功读取出来。

图 | 为东南大学师生团队研发的 DNA 存储电极（来源：学校官网）

伊利诺伊州西北大学合成生物学中心的科学家们也提出了一种将信息记录到 DNA 的新方法，该方法仅需一小时内就能完成录入 3 比特信息。该团队使用一种新的酶系统合成 DNA，将快速变化的环境信号直接记录到 DNA 序列中，以合成可直接操作的 DNA。此外，该酶允许提前完成蛋白质表达，从而允许连续存储信息。该论文的资深作者、西北工程教授 Keith EJ Tyo 表示，这种方法还将改变研究和记录大脑内部神经元的方式。它特别适合于长期的档案数据应用，如存储闭路安全录像，该团队将其称为 "只写一次，永不读取" 的数据，但需要在事件发生时可以访问。

佐治亚理工学院 (GTRI) 近期也公布了新进展，他们的团队设计了一种微芯片，可以显着提高以 DNA 形式写入数据的速度。该团队预计将比当前的 DNA 存储技术提高 100 倍。

虽然要使 DNA 分子变成一个真正能代替硬盘、光盘的存储介质，仍面临诸多挑战，但是 DNA 数据存储技术的发展前景被众资本看好，微软联合 Illumina 等 15 家机构在 11 月成立 DNA 数据存储联盟；在国内，今年 8 月，DNA 数据存储技术开发企业中科碳元 (深圳) 生物科技有限公司 (C-ATOM) 完成数千万元天使轮融资，由英诺天使基金领投，中科天使、常见投资、沸腾创投跟投。

未来，新一代合成、测序及检索技术或将为 DNA 数据存储带来质的飞跃。

参考资料：

https://interestingengineering.com/why-has-dna-storage-become-so-sought-after

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