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2025-03-22 08:00:21
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(le)一(yī)个(gè)巨(jù)大(dà)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(yī)种(zhǒng)方(fāng)式(shì)，既能高密度存储庞大的数据，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(yú)降(jiàng)低(dī)数(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ)对(duì)环(huán)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，指导着生命的生长、发育和功能。
在数据存储中，科学家们借鉴了这一原理，将数字信息转换为DNA的碱基序列。例如，可以将二进制的“0”和“1”对应到特定的碱基上，或者通过特定的编码规则，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可靠性。
那我们是否有办法突破这些瓶颈呢？
2024年10月23日，在一篇发表于《自然》杂志上的论文中，一个由中国科学家领导的团队受到表观遗传学的启发，开发了一种用DNA储存数据的新技术——“表观比特”储存技术。
什么是表观遗传学呢？我们继续把DNA想象成一本书，里面的文字代表我们的基因信息。表观遗传学就好比在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(shì)二(èr)进(jìn)制(zhì)的(de)“0”。
这(zhè)种(zhǒng)“表(biǎo)观(guān)比(bǐ)特(tè)”类(lèi)似(shì)于(yú)传(chuán)统(tǒng)的(de)比(bǐ)特(tè)。这(zhè)种(zhǒng)新(xīn)技(jì)术(shù)不(bù)依(yī)赖(lài)于(yú)从(cóng)头(tóu)合(hé)成(chéng)DNA，而(ér)是(shì)利(lì)用(yòng)现(xiàn)有(yǒu)的(de)DNA分(fēn)子(zi)进(jìn)行(xíng)数(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ)，就(jiù)像(xiàng)在(zài)纸(zhǐ)上(shàng)印(yìn)刷(shuā)文字(zì)一(yī)样(yàng)，无(wú)需(xū)重(zhòng)新(xīn)制(zhì)造(zào)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(tè)的(de)数(shù)据(jù)。
新(xīn)研(yán)究(jiū)表(biǎo)明(míng)，DNA存(cún)储(chǔ)的(de)潜(qián)力(lì)正(zhèng)在(zài)逐(zhú)渐(jiàn)显(xiǎn)现(xiàn)。凭(píng)借(jiè)其(qí)高(gāo)密(mì)度(dù)、长(zhǎng)寿(shòu)命(mìng)和(hé)低(dī)能(néng)耗(hào)的(de)特(tè)点(diǎn)，DNA或(huò)许(xǔ)能(néng)成(chéng)为(wèi)未(wèi)来(lái)解(jiě)决(jué)数(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ)危(wēi)机(jī)的(de)关键。在(zài)这(zhè)条(tiáo)探(tàn)索(suǒ)的(de)道(dào)路上(shàng)，“表(biǎo)观(guān)比(bǐ)特(tè)”技(jì)术(shù)迈(mài)出(chū)了(le)重(zhòng)要(yào)一(yī)步(bù)，让(ràng)人(rén)类(lèi)看(kàn)到(dào)了(le)自(zì)然(rán)智(zhì)慧(huì)与(yǔ)科(kē)技(jì)创(chuàng)新(xīn)结(jié)合(hé)的(de)无(wú)限(xiàn)可(kě)能(néng)。
或(huò)许(xǔ)有(yǒu)一(yī)天(tiān)，我(wǒ)们(men)真(zhēn)的(de)可(kě)以(yǐ)将(jiāng)全人(rén)类(lèi)的(de)知(zhī)识(shi)和(hé)记(jì)忆(yì)，凝(níng)聚(jù)在(zài)微(wēi)小(xiǎo)的(de)DNA分(fēn)子(zi)中(zhōng)。
本(běn)文为(wèi)·创(chuàng)作(zuò)培(péi)育(yù)计(jì)划(huà)扶(fú)持(chí)作(zuò)品(pǐn)
作(zuò)者(zhě)名称(chēng)：沈(chén)雯(wén)
审(shěn)核(hé)：梁(liáng)前(qián)进(jìn) 北(běi)京(jīng)师(shī)范(fàn)大(dà)学(xué)生(shēng)命(mìng)科(kē)学(xué)学(xué)院(yuàn) 教(jiào)授(shòu)
出(chū)品(pǐn)：中(zhōng)国(guó)科(kē)协(xié)科(kē)普(pǔ)部(bù)
监(jiān)制(zhì)：中(zhōng)国(guó)科(kē)学(xué)技(jì)术(shù)出(chū)版(bǎn)社(shè)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)、北(běi)京(jīng)中(zhōng)科(kē)星(xīng)河(hé)文化(huà)传(chuán)媒(méi)有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)
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