DNA实现存储？天津大学取得重大突破

随着人类文明的发展，存储技术也在不断发展进步，结绳、简竹、纸张、磁带、软盘、硬盘等都是发展过程中的产物，尤其是现代化的电子存储，其最小单位我们称之为比特，即采用0与1两种状态来实现信息的存储；而DNA作为生物活性物质，是所有生命体中遗传信息之重要载体，内含CGTA四个碱基对，一直用于生命信息的存储复制（繁衍），来实现生命的延续与发展。正是DNA的这种特性，它可不可以被人类利用，实现现代信息的存储啦？答案令人惊讶，是肯定的！

据新华社天津9月17日报道：中国科学院院士、天津大学元英进教授带领的合成生物学团队采用创新DNA存储算法，已经将十幅精选敦煌壁画存入DNA中，够科幻吧，接下来对保存信息的DNA片段，进行进支持老化破坏实验，依旧实现信息恢复；实验结果表明：敦煌壁画信息既可以在DNA可以保存，同时在实验室常温下可保存千年，在9.4 下可保存两万年！

该成果近日已经发表于《自然·通讯》上，大家可以直接查阅。

DNA存储的敦煌壁画

惊艳亮点

• 据国际数据公司(IDC)估计，按照目前全球快速增长的数据总量，到 2025年全球数据总量将达到惊人的175ZB（1ZB 10的21次方字节）。
• 作为重要信息载体，全球数据中心，正在大量扩建，与此同时其能耗非常惊人，据估计，到2025年，全球数据中心的耗电量将高达全球能耗的33%。
• DNA存储一旦实现应用，其具备的高存储密度与低能耗处理等优势，被视为一种极具潜力的存储技术，完全可以应对数据存储增长挑战的新机遇。

探索之路

2021年8月元英进教授团队，从头编码设计合成了一条长度为254886碱基对、专用于数据存储的酵母人工染色体，该染色体中包含有两张经典图片和一段视频的存储信息，利用酵母的自然繁殖，实现数据的稳定复制，并用纳米孔测序器件实现了数据快速读出与无错恢复。这里有几点关键信息，信息利用碱基对进行编码，信息复制采用酵母的繁殖，解码采用的是读取碱基对的排序信息。如下图：

DNA存储技术概念图

如何确保信息丢失？

DNA作为一种链式生物大分子，具有生物活性，容易出现在体外常温保存时， DNA断裂降解等风险，可能带来信息长期存储的可靠性风险。为此，团队采用了德布莱英图理论的序列重建算法来解决DNA断裂问题，同时结合贪婪路径搜索和循环冗余校验码。哪怕已经出现断裂的DNA片段，依旧可以实现高效重组，以确保存储信息的不丢失，实现DNA存储的长期可靠性。

DNA存储

完美实验，一气呵成

双码设计：团队首先采用序列重建算法（内码）与喷泉码算法（外码），设计了6.8MB的敦煌壁画编码信息，利用编码信息合成出已经承载图片信息的DNA片段，合计21万条。（可见其辛苦）

DNA存储信息片段示意图

非保护性破坏实验：团队制备了一份没有任何特殊保护的DNA水溶液样本，并在70 温度下加速样本断裂、降解（这种环境对生物活性物质DNA极为不利）。经过十周的“破坏”性实验， 结果是DNA信息片段，80%以上都发生了断裂或错误，即严重破坏。

修复性重组：破坏后的DNA片段，依照序列重建算法进行解码组装，实现96.4%以上的片段修复，进而通过喷泉码解决少量片段丢失的问题，最终实现原始的敦煌壁画图片完美恢复。

根据理论推算，这种程度的高温破坏，完全相当于实验室常温25 条件下的一千年或者9.4 条件下的长达两万年的自然保存。

可喜可贺，这是天津大学合成生物学团队，继人工合成染色体的酵母体内信息存储模式取得突破后，在DNA信息体外存储模式上取得的又一重要突破。

伙伴们，看到这个激动的小实验，大成就，有什么新看法？欢迎一起讨论！

NDA信息存储未来示意图

天津大学DNA存储取得重大突破 可让信息保存千年万年_新闻频道_央视网(cctv.com)