根据国际数据公司（IDC）的预测，到2025年，全球数据量将达到175泽字节（ZB），相当于每个人每天产生约1.7 MB的数据。这种全球性的数据激增带来了一个巨大的挑战：如何高效、可持续地存储如此庞大的信息？

目前，传统的硬盘、固态硬盘和云存储是数据存储的主要方式。然而，它们的局限性也日益凸显。例如，硬盘和固态硬盘的存储密度增长速度赶不上数据增长的速度。这些传统存储介质的使用寿命一般也只有数年，需要频繁更换，增加了成本和资源消耗。此外，全球数据中心的能耗已经占到了全球总能耗的1%以上，这不仅耗费大量能源，还对环境产生了不利影响。

那么，有没有一种方式，既能高密度(dù)存(cún)储(chǔ)庞(páng)大的数据，又能长时间保持数据的完整性，同时还节能环保呢？

科学家们将目光投向了生命的载体——DNA。

DNA，作为遗传信息的载体，具有天然的优势：

• 超高储存密度：一克DNA理论上可以存储约215 PB（拍字节）的数据，相当于可以容纳 1千万小时的高清视频内容。

• 超长保存时间：在适宜的条件下（比如避免接触湿气和紫外线，因为它们会破坏分子结构），DNA 的化学稳定性允许其保存数十万年。

• 环境友好：DNA是一种不需要持续供电的存储介质，能耗极低，有助于降低数据存储对环境的影响。

那么DNA如何储存信息呢？

我们可以把DNA想象成一本由四个字母组成的书，这四个字母分别是A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）和G（鸟嘌呤），也就是四种碱基。这四种碱基各自与脱氧核糖和磷酸结合可形成相应的核苷酸，然后再通过不同的排列组合，形成了DNA的序列，就像文字的组合构成了书中的内容。在生物体中，这些序列编码了遗传信息，指导着生命(mìng)的(de)生(shēng)长(zhǎng)、发(fā)育(yù)和(hé)功(gōng)能(néng)。

在(zài)数(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ)中(zhōng)，科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)借(jiè)鉴(jiàn)了(le)这(zhè)一(yī)原(yuán)理(lǐ)，将(jiāng)数(shù)字(zì)信(xìn)息(xi)转(zhuǎn)换(huàn)为(wèi)DNA的(de)碱(jiǎn)基(jī)序(xù)列(liè)。例(lì)如(rú)，可(kě)以(yǐ)将(jiāng)二(èr)进(jìn)制(zhì)的(de)“0”和(hé)“1”对(duì)应(yīng)到(dào)特(tè)定(dìng)的(de)碱(jiǎn)基(jī)上(shàng)，或(huò)者(zhě)通(tōng)过(guò)特(tè)定(dìng)的(de)编(biān)码规则，将数据映射为一段DNA序列。但问题是传统方法需要从头合成新的DNA链，这一过程既昂贵又缓慢。此外，长链DNA合成也容易出错，影响数据的准确性和(hé)可(kě)靠(kào)性(xìng)。

那(nà)我(wǒ)们(men)是(shì)否(fǒu)有(yǒu)办(bàn)法(fǎ)突(tū)破(pò)这(zhè)些(xiē)瓶(píng)颈(jǐng)呢(ne)？

2024年(nián)10月(yuè)23日(rì)，在(zài)一(yī)篇(piān)发(fā)表(biǎo)于(yú)《自(zì)然(rán)》杂(zá)志(zhì)上(shàng)的(de)论(lùn)文中(zhōng)，一(yī)个(gè)由(yóu)中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)家(jiā)领(lǐng)导(dǎo)的(de)团(tuán)队(duì)受(shòu)到(dào)表(biǎo)观(guān)遗(yí)传(chuán)学(xué)的(de)启(qǐ)发(fā)，开(kāi)发(fā)了(le)一(yī)种(zhǒng)用(yòng)DNA储(chǔ)存(cún)数(shù)据(jù)的(de)新(xīn)技(jì)术(shù)——“表(biǎo)观(guān)比(bǐ)特(tè)”储(chǔ)存(cún)技(jì)术(shù)。

什(shén)么(me)是(shì)表(biǎo)观(guān)遗(yí)传(chuán)学(xué)呢(ne)？我(wǒ)们(men)继(jì)续(xù)把(bǎ)DNA想(xiǎng)象(xiàng)成(chéng)一(yī)本(běn)书(shū)，里(lǐ)面(miàn)的(de)文字(zì)代(dài)表(biǎo)我(wǒ)们(men)的(de)基(jī)因(yīn)信(xìn)息(xi)。表(biǎo)观(guān)遗(yí)传(chuán)学(xué)就(jiù)好(hǎo)比(bǐ)在(zài)这本书的特定文字上做标记（如加粗、下划线），不改变文字本身，但可以影响对内容的理解和解读。

在生物学中，表观遗传修饰通过在DNA的特定碱基上添加或移除化学基团，比如甲基（CH₃），来调节基因的表达。这种调节可以影响细胞功能，甚至决定基因是否被“打开”或“关闭”。

研究人员利用了DNA链上特定碱基的甲基化和去甲基化来表示二进制信息：

•甲基化的碱基：表示二进制的“1”。

•未甲基化的碱基：表示二进制的“0”。

这种“表观比特”类似于传统的比特。这种新技(jì)术(shù)不(bù)依(yī)赖(lài)于(yú)从(cóng)头(tóu)合成DNA，而是利用现有的DNA分子进行数据存储，就像在纸上印刷文字一样，无需重新制造纸张。

表观遗传信息储存的机制。 图：ChengZhang et al.

在论文中，研究人员提出了一种基于并行写入策略的DNA储存策略。他们设计并预制了一个通用的单链DNA载体，可以看作是数据存储的“纸张”。他们还设计了一系列互补的短单链DNA，称为“文字库”，这些短链DNA能够与载体的特定位置配对结合，就像印刷活字中的字模。通过将“文字库”加载到DNA载体的相同位置上，可以排列组合出所需的“表观比特”信息，类似于将活字排版在印刷版上。

接下来，利用酶的作用，就可以对DNA载体上的特定碱基进行甲基化修饰。这种选择性甲基化是并行进行的，意味着可以同时在多个位置上进行修饰，大幅提高效率。通过(guò)上述步骤，数据被稳定地“打印”在DNA载体上，完成了一次精密而高效的“分子印刷术”。

在实验中，研究团队仅使用了700种DNA活字和5个DNA模板，通过不同的组合，就可以编程出大量的数据。在自动化的实验平台上，他们实现了约27.5万个比特的数据写入，每次反应可以写入350比特的数据。

新研究表明，DNA存储的潜力正在逐渐显现。凭借其高密度、长寿命和低能耗的特点，DNA或许能成为未来解决数据存储危机的关键。在这条探索的道路上，“表观比特”技术迈出了重要一步，让人类看到了自然智慧与科技创新结合的无限可能。

或许有一天，我们真的可以将全人类的知识和记忆，凝聚在微小的DNA分子中。

本(běn)文为(wèi)·创(chuàng)作(zuò)培(péi)育计划扶持作品

作者名称：沈雯

审核：梁前进 北京师范大学生命科学学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司