龜甲、宣紙、磁帶、硬盤……

數據怎么存、存在哪

始終是人們孜孜以求的問題

時代變遷，社會發展

我們的生活每天都在產生海量數據

傳統硅基材料

難以滿足日益增長的數據存儲需求

北京大學張成、錢瓏團隊

與合作者另辟蹊徑

以表觀修飾作為存儲介質

通過分子信息并行寫入實現信息存儲

為這道難題提出新的解法

10月23日

團隊研究成果已發表于Nature

△研究成果已正式發表于Nature

1公斤便可“裝下”全世界

　　2024年10月23日，北京大學計算機學院張成與定量生物學中心錢瓏聯合研究團隊與合作者，在國際學術期刊Nature上發表題為“Parallel molecular data storage by printing epigenetic bits on DNA”的研究論文，首次提出了一種基于并行寫入策略的DNA存儲策略，成功將信息打印在DNA分子之上，猶如“活字印刷”，在白紙上批量印刷信息。團隊在實驗中，成功將中國漢代“白虎”瓦當和大熊貓的高清圖片(數據量超過27.5萬比特)寫入DNA分子中，并無損還原了原始數據，解析出高清圖片。

　　DNA具有超高存儲密度，僅1克DNA就足以存儲1000萬小時高清視頻數據;1公斤DNA，便可以裝下全世界數據。此外，如果避免潮濕和紫外線照射，DNA可以保存數十萬年之久，擁有超長壽命。相比之下，硬盤往往需要每隔幾年更換一次以防止數據損壞。因此，DNA顯示出作為顛覆性存儲介質的巨大潛力。

　　然而，傳統DNA存儲依賴“從頭合成”的信息寫入路線，在成本和速度上面臨著“速度慢”“易出錯”“價格貴”的多重巨大挑戰。不同于傳統技術路線，張成-錢瓏聯合團隊開發的“表觀比特(epi-bit)”DNA存儲技術，利用預制的DNA模板和“分子活字塊”，通過DNA自組裝介導的分子信息排版，經選擇性酶促甲基修飾轉移，實現了“活字印刷”，達到分子級“信息打印”的目的。

　　該技術不依賴于主流的“從頭合成”寫入路線原理，通過DNA自組裝與選擇性酶促甲基化(DNA分子的一種表觀遺傳修飾)的組合原理，無需合成，就像在紙上印刷文字。首先，研究團隊設計并預制通用的單鏈DNA載體和互補短單鏈DNA“文字庫”。然后，通過將“文字庫”裝到DNA載體的相同加載序列上，任意表觀比特信息就得以被排版。接下來，堿基修飾(5-甲基胞嘧啶)通過酶的選擇性甲基化以并行的方式穩定地“打印”在DNA載體上，一場精密、高效的“分子印刷術”就大功告成了。

　　這種被稱為“表觀比特”類似于傳統的比特，以兩個二進制數值中的一個(0或1)來存儲信息，對應堿基是否甲基化。研究團隊通過使用有限的700種DNA活字和5個模板進行編程，在自動平臺上實現了約27.5萬個比特的免合成寫入，每個反應的寫入輸出為350比特，遠超過去依賴DNA從頭合成的數據存儲系統每個反應約僅1比特的輸出量，實現了重大突破。

　　同時，這一研究還成功實現了個人定制DNA存儲示例，證明了便捷的分布式DNA存儲應用潛力。該方法的建立，不僅為實現了快速、低成本的大規模分子數據存儲奠定了技術基礎，還為未來DNA存儲的發展提供了全新思路。

基于表觀比特條碼的高位并行大規模存儲示意

　　“這項技術的核心突破在于，我們能夠通過預制的DNA模板和活字塊，在分子底層以排版的方式打印epi-bit信息，實現分子數據的精確并行寫入，進而完成大規模并行DNA存儲。”論文通訊作者、北京大學研究員張成介紹說，“與傳統DNA數據存儲方法相比，這種活字印刷并行寫入方式僅需有限數量的預制DNA分子，從而避免了復雜繁瑣DNA序列編碼過程，不僅大幅降低分子信息寫入復雜度，還能降低成本，提高操控靈活性。”

把照片“存在”DNA里

　　團隊在實驗中，將中國漢代“白虎”瓦當和國寶大熊貓“飛云”的高清圖片成功寫入DNA分子中，數據量超過27.5萬比特，相比此前發表的其他非傳統DNA存儲技術，數據規模提升超過300倍。這些信息讀取使用便攜式納米孔測序儀，實現了對DNA模板上復雜表觀比特信息的高通量讀取，并通過單次超240種不同修飾模式的并行解析，無損還原了原始數據，解析出高清圖片，真正有望實現“經典永流傳”。實驗結果驗證了該創新型分子存儲技術的可行性和準確性，還展示了表觀比特的穩定性。

　　值得關注的是，團隊還展示了這項技術的分布式存儲應用潛力。在個人定制DNA存儲實驗中，邀請了北京大學、華北電力大學等單位60名背景廣泛的青年志愿者，由他們在日常環境下，將私人數據親手寫入DNA并由個人保存。這些數據直到使用時才被讀取，可有效保障個人數據的隱私與安全。這種分布式DNA存儲方式，不僅能極大降低DNA存儲的使用門檻，且保障了數據隱私，有望推動DNA存儲的個人應用。

表觀比特DNA存儲原理流程和實驗結果

　　從二進制數據到DNA數據，從從頭合成到并行寫入，從DNA存儲池到細胞存儲，從二代測序到納米孔測序……在多維技術的突破性革命與融會貫通下，誕生了如今的表觀比特DNA存儲框架，這一框架為大規模數據存儲提供了全新的解決方案，有望突破DNA存儲的成本和速度壁壘。此項技術的開發，還展現了非傳統分子比特在數據存儲中的獨特優勢，為未來新型分子信息處理系統的研發奠定了堅實的基礎。

　　“在DNA這張白紙上批量打印信息，代表著DNA存儲技術的重要突破與革新。”論文通訊作者、北京大學研究員錢瓏表示，“可預見的是，在未來，無論身處何時何地，我們都將無需依賴大型實驗儀器，就能實現簡單、準確、高效的DNA數據存儲。”