根據國際數據公司（IDC）的預測，到2025年，全球數據量將達到175澤字節（ZB），相當于每個人每天產生約1.7 MB的數據。這種全球性的數據激增帶來了一個巨大的挑戰：如何高效、可持續地存儲如此龐大的信息？

目前，傳統的硬盤、固態硬盤和云存儲是數據存儲的主要方式。然而，它們的局限性也日益凸顯。例如，硬盤和固態硬盤的存儲密度增長速度趕不上數據增長的速度。這些傳統存儲介質的使用壽命一般也只有數年，需要頻繁更換，增加了成本和資源消耗。此外，全球數據中心的能耗已經占到了全球總能耗的1%以上，這不僅耗費大量能源，還對環境產生了不利影響。

那么，有沒有一種方式，既能高密度存儲龐大的數據，又能長時間保持數據的完整性，同時還節能環保呢？

科學家們將目光投向了生命的載體——DNA。

DNA，作為遺傳信息的載體，具有天然的優勢：

? 超高儲存密度：一克DNA理論上可以存儲約215 PB（拍字節）的數據，相當于可以容納 1千萬小時的高清視頻內容。

? 超長保存時間：在適宜的條件下（比如避免接觸濕氣和紫外線，因為它們會破壞分子結構），DNA 的化學穩定性允許其保存數十萬年。

? 環境友好：DNA是一種不需要持續供電的存儲介質，能耗極低，有助于降低數據存儲對環境的影響。

那么DNA如何儲存信息呢？

我們可以把DNA想象成一本由四個字母組成的書，這四個字母分別是A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）和G（鳥嘌呤），也就是四種堿基。這四種堿基各自與脫氧核糖和磷酸結合可形成相應的核苷酸，然后再通過不同的排列組合，形成了DNA的序列，就像文字的組合構成了書中的內容。在生物體中，這些序列編碼了遺傳信息，指導著生命的生長、發育和功能。

在數據存儲中，科學家們借鑒了這一原理，將數字信息轉換為DNA的堿基序列。例如，可以將二進制的“0”和“1”對應到特定的堿基上，或者通過特定的編碼規則，將數據映射為一段DNA序列。但問題是傳統方法需要從頭合成新的DNA鏈，這一過程既昂貴又緩慢。此外，長鏈DNA合成也容易出錯，影響數據的準確性和可靠性。

那我們是否有辦法突破這些瓶頸呢？

2024年10月23日，在一篇發表于《自然》雜志上的論文中，一個由中國科學家領導的團隊受到表觀遺傳學的啟發，開發了一種用DNA儲存數據的新技術——“表觀比特”儲存技術。

什么是表觀遺傳學呢？我們繼續把DNA想象成一本書，里面的文字代表我們的基因信息。表觀遺傳學就好比在這本書的特定文字上做標記（如加粗、下劃線），不改變文字本身，但可以影響對內容的理解和解讀。

在生物學中，表觀遺傳修飾通過在DNA的特定堿基上添加或移除化學基團，比如甲基（CH?），來調節基因的表達。這種調節可以影響細胞功能，甚至決定基因是否被“打開”或“關閉”。

研究人員利用了DNA鏈上特定堿基的甲基化和去甲基化來表示二進制信息：

?甲基化的堿基：表示二進制的“1”。

?未甲基化的堿基：表示二進制的“0”。

這種“表觀比特”類似于傳統的比特。這種新技術不依賴于從頭合成DNA，而是利用現有的DNA分子進行數據存儲，就像在紙上印刷文字一樣，無需重新制造紙張。

表觀遺傳信息儲存的機制。 圖：ChengZhang et al.

在論文中，研究人員提出了一種基于并行寫入策略的DNA儲存策略。他們設計并預制了一個通用的單鏈DNA載體，可以看作是數據存儲的“紙張”。他們還設計了一系列互補的短單鏈DNA，稱為“文字庫”，這些短鏈DNA能夠與載體的特定位置配對結合，就像印刷活字中的字模。通過將“文字庫”加載到DNA載體的相同位置上，可以排列組合出所需的“表觀比特”信息，類似于將活字排版在印刷版上。

接下來，利用酶的作用，就可以對DNA載體上的特定堿基進行甲基化修飾。這種選擇性甲基化是并行進行的，意味著可以同時在多個位置上進行修飾，大幅提高效率。通過上述步驟，數據被穩定地“打印”在DNA載體上，完成了一次精密而高效的“分子印刷術”。

在實驗中，研究團隊僅使用了700種DNA活字和5個DNA模板，通過不同的組合，就可以編程出大量的數據。在自動化的實驗平臺上，他們實現了約27.5萬個比特的數據寫入，每次反應可以寫入350比特的數據。

新研究表明，DNA存儲的潛力正在逐漸顯現。憑借其高密度、長壽命和低能耗的特點，DNA或許能成為未來解決數據存儲危機的關鍵。在這條探索的道路上，“表觀比特”技術邁出了重要一步，讓人類看到了自然智慧與科技創新結合的無限可能。

或許有一天，我們真的可以將全人類的知識和記憶，凝聚在微小的DNA分子中。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者名稱：沈雯

審核：梁前進 北京師范大學生命科學學院 教授

出品：中國科協科普部

監制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司

來源: 星空計劃

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