DNA存储技术的研究与应用

亮点文章生命科学仪器 2020 第18卷 / 04月刊

3摘要：随着数字化信息的不断积累，数据的存储需求越来越高。为了满足未来高密度与长期保存数据的需求，寻找某些特性超越当前磁或光存储的新技术成为当前重要的研究内容。脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid, DNA）作为天然的遗传信息存储介质，具有存储容量大、能耗低和寿命长等优点，能有效克服传统硬盘和计算机存储等方式的不足，故DNA数据存储技术成为电子信息和生物技术交叉领域的研究前沿。本文综述了DNA数据存储技术在编码写入和数据存储两个部分上的研究进展；对现阶段已有的DNA

存储技术进行了总结，并对DNA数据存储研究存在的挑战进行了讨论。关键词：数据存储；

DNA；编码；合成；保存中图分类号：R318 文献标识码：A DOI:10.11967/2020180401 DNA存储技术

沈鹏，李颢，孙清江*，陆祖宏*(东南大学生物电子学国家重点实验室 生物科学与医学工程学院 南京 210096）高雅琨，吴瑾 (华为技术有限公司战略研究院 深圳 518129)

Advance of Data Storage Using DNA

Shen Peng, Li Hao, Sun Qingjiang*, Lu Zuhong*

(State Key Laboratory of Bioelectronics, School of Biological Science & Medical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096 )Gao Yakun, Wu Jin (Institute of Strategic Research, HUAWEI TECHNOLOGIES CO. LTD., Shenzhen 518129)

基金项目：本文受生物电子学国家重点实验室重点项目资助。通讯作者：孙清江，邮箱：sunqj@，电话：15805170556。陆祖宏，邮箱：zhlu@，电话：18651800622。孙清江󰀁，东南大学教授，教育部新世纪优秀人才，中国电子学会会员。研究方向之一为DNA纳米技术包括DNA机器、计算及存储芯片等。在Nat.󰀁Photonics等国内外核心杂志上发表论文80余篇，引用1600余次，获批国家发明专利3项，获省部级科研成果奖励2项。

DNA数据存储提供大规模存储方式

随着科技的不断发展，人类社会产生的数据量呈指数级增长。然而，传统的存储方法已经难以满足我们对大规模数据的需求。因此，寻找一种高效、可靠、大规模存储方式成为亟待解决的问题。近年来，基于DNA的数据存储技术崭露头角，被认为是一种潜在的解决方案。

DNA是生命的基本遗传物质，具有天然的信息存储能力。与传统存储介质相比，DNA分子拥有非常高的密度，几乎可以在一个小小的试管中存储全球总计的所有数据。据统计，一克DNA可以存储比目前所有电子设备加起来多得多的数据，并且可以存储很长时间而不会受到磁场、辐射、湿度等因素的破坏。

在DNA数据存储技术中，需要将数字信息转化为DNA序列。这一过程通常涉及到编码、加密、合成等环节。首先，数字信息被转化为二进制代码，然后根据特定的编码方法，将二进制代码映射为DNA的碱基序列。接下来，这些碱基会经过合成，并存储在试管中。将信息写入DNA存储介质的过程是一种相当复杂的任务，需要高度精确和精细的操作。然而，随着技术的进步，这一过程变得越来越高效，同时成本也在不断下降。

DNA存储的优势之一是其极高的存储密度。DNA分子可以编码数百万亿位的信息，并以非常小的空间进行存储。以最新的技术为例，现在可以将一克DNA存储1000TB（1TB=1000GB）的数据。这种高密度存储方式使得DNA成为处理大规模数据的理想选择。

除了高密度存储外，DNA存储还具有长期稳定性的优势。据估计，存储在DNA中的信息可以保持几千年甚至更长时间而不发生任何损坏。这与传统的存储介质相比是一个巨大的突破，例如硬盘或光盘，它们往往只能存储几十年。因此，DNA存储在文化遗产保护、长期数据存储等方面具有重要的应用前景。

此外，DNA存储的能耗也相对较低。由于DNA分子的稳定性和可靠性，存储在其中的数据无需经常性的复制或迁移。相比之下，传统存储方式（如云存储）需要消耗大量的能源用于数据冗余复制和维护。因此，DNA存储可以有效降低能源消耗，减少对环境的影响。

DNA存储技术的应用及其前景

DNA存储技术是一种利用DNA分子内部的四种碱基对A、C、G、T来存储数字信息的先进技术。目前，许多科学家在使用DNA存储技术中进行了大量的研究，并取得了显著的成果。该技术可以在不同领域中发挥作用，例如数据存储和保护文化遗产等。下面将介绍DNA存储技术的应用及其前景。

应用

在数据存储方面，相对于传统存储方式，DNA存储有着更大的潜力。由于DNA分子可以在极小的空间中储存大量的信息，所以能够存储的数据量会相对比较大。此外，DNA分子的存储稳定性也很高，可以存储数百年甚至上千年的时间，从而提供了更好的数据保护方案。

在文化遗产保护方面，如果一些重要的文艺品出现了破损、丢失等情况，可以采用DNA存储技术进行修复。例如，法国卢瓦尔河谷里一个名为圣伊夫修道院的建筑物，它在13世纪时被建成，但由于破坏和自然灾害的问题，修道院大部分的建筑物都被损毁了，剩下的残骸也无法让人们了解它的完整信息。然而，现在法国科学家使用了DNA存储技术，在破坏建筑中提取出了细胞物质中的DNA，并进行了破译，成功恢复了修道院的历史资料。这种方法在修复文物用途上应用前景广阔。

前景

预计未来十年内，DNA存储技术会在数据处理和存储方面大有突破。对于传统存储介质而言，信息量、存储量、存储成本等很难在一个平衡范围内满足客户的需求，而DNA存储技术在以上方面都拥有着相对于传统技术的优势。此外，随着社会科技发展的加速，许多新型技术的需求越来越高，如超高清视频、航空影像等，这些庞大的数据量需要超大的存储介质，而DNA存储技术恰恰可以满足这些需求。

DNA存储技术的优势在于，在现阶段的计算机存储技术和大数据存储方面上很难有替代者。未来几年中，随着DNA存储技术的不断发展和改进，各类新功能的发现，人们可以预计在储存、传输、保护方面，将出现DNA存储技术的大规模应用。

总之，DNA存储技术的应用领域非常广泛，具有极高的潜力，未来也将继续被广泛地研究和应用。从数据存储方面来看，DNA存储技术将在未来几年内发挥越来越重要的作用。当然，随着技术的发展，在很多领域甚至取代了传统存储技术。有理由相信，DNA存储技术会为人类社会的发展带来新的机遇和挑战。

DNA存储技术的现状与前景

DNA是生命的基本物质，它被广泛应用于基因工程、犯罪侦查等领域。DNA存储作为一项前沿技术，也被越来越多的人们所关注和应用。那么，DNA存储技术目前的现状如何？其前景又将如何发展呢？

一、DNA存储技术的现状

DNA存储技术是通过将数字化的信息转化为DNA序列来存储数据的一种新型技术。其本质是将信息编码为DNA序列，通过化学方法将其合成并存储起来，达到长期稳定和高密度的存储效果。与传统的存储介质相比，DNA存储技术无需耗费大量的能源和物资，也没有数据丢失的风险。

目前，DNA存储技术已经在一些实验室中取得了非常不错的进展。2012年，美国科学家将莎士比亚的《李尔王》、图片、音乐等资料全部编码存储到了一条DNA链上，并成功实现了数据的读取和提取。2017年，全球科学家联合发起了一个名为DNA Data

Storage Alliance的项目，旨在探索将数字数据存储到DNA中的可能性，以及设计出一套全新的DNA存储系统。

由此可见，DNA存储技术已经逐渐成为一个备受关注的热门领域。然而，DNA存储技术仍然存在着许多技术问题和局限性。

二、DNA存储技术的局限性

首先，DNA存储技术尚未实现量产和商业化。目前，DNA合成的成本仍然非常高昂，难以实现在商业上的广泛应用。

其次，DNA存储技术要求高精度的合成和读取技术。目前，DNA序列的可读性和精度尚有待提高，并且在DNA合成和读取过程中，还存在着许多错误和地方性问题。

第三，DNA存储技术的数据读取速度相当慢。目前，读取DNA存储数据仍然需要用PCR和测序等技术，速度较慢，限制了其在实际应用中的使用。

四、DNA存储技术的前景

虽然DNA存储技术目前存在一系列问题和局限性，但随着技术的不断发展和突破，其前景依然充满希望。

首先，DNA存储技术有望打破传统数码存储技术的局限性。在信息量不断扩容的时代，DNA作为一种高密度的存储介质，它的存储容量和稳定性已经远远超过了传统的介质。未来，DNA存储技术有望成为数据存储的新兴方向。