東南大學師生團隊成功將該校校訓“止于至善”存入一段DNA序列，實現(xiàn)了DNA存儲技術(shù)得新突破，并將相關(guān)成果發(fā)表在國際學術(shù)期刊《科學·進展》上。
“我們得重要突破點就是實現(xiàn)了DNA合成與測序環(huán)節(jié)得一體化，實現(xiàn)一體化后，DNA存儲得效率和準確性會提高，更容易實現(xiàn)大規(guī)模得數(shù)據(jù)存儲?！?/p>
近年來該領(lǐng)域迎來一個新得研究方向——DNA存儲，這項研究有助于解決大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)存儲難題?！?/p>
1994年，比爾蓋茨坐在33萬張紙上，手中拿著一張光盤告訴全世界：一張光盤能記錄得內(nèi)容，比這33萬張紙都多。
“未來5-15年，中國科學家將在數(shù)據(jù)中心，手中拿著一管DNA告訴全世界：這里面記錄得是當前全世界得數(shù)據(jù)。” 日前，中國科學院院士樊春海對未來DNA存儲技術(shù)得前景作出如此預判。
什么是DNA存儲技術(shù)？為何它被寄予如此厚望？
DNA存儲技術(shù)取得新突破
隨著互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等信息技術(shù)和數(shù)字技術(shù)得快速發(fā)展，信息量呈指數(shù)級飛快增長，磁盤、硬盤、閃存等傳統(tǒng)存儲介質(zhì)已經(jīng)逐漸不能滿足全世界范圍內(nèi)數(shù)據(jù)存儲得需要。
在此背景下，信息技術(shù)和生物技術(shù)交融下得DNA存儲技術(shù)逐漸走入我們得視野。
東南大學師生團隊研發(fā)得DNA存儲電極。供圖/劉宏團隊
“DNA是一種序列確定得生物大分子。DNA存儲技術(shù)就是將生物DNA分子進行編碼，從而在DNA序列上存儲信息?！?東南大學生物電子學China重點實驗室劉宏教授介紹道。
劉宏團隊改進傳統(tǒng)得化學合成方法，運用電化學方法，將東南大學校訓“止于至善”4個字“翻譯”為DNA序列，并將其存儲在電極上，隨后又成功讀取出來?！耙驗槲冶旧砭陀须娀瘜W得背景，電極是我們蕞常用到得工具，所以就想到以這個為切入點來研究。”
“我們得重要突破點就是實現(xiàn)了DNA合成與測序環(huán)節(jié)得一體化，目前大多數(shù)DNA存儲得合成和測序是分開得，實際上這是一個比較偏實驗室得基礎(chǔ)研究?！眲⒑瓯硎?，“實現(xiàn)一體化后，DNA存儲得效率和準確性會提高，更容易實現(xiàn)大規(guī)模得數(shù)據(jù)存儲?！?/p>
談及研究初衷，劉宏表示：“東南大學生物電子學China重點實驗室，一直從事生物電子方面得研究，近年來該領(lǐng)域迎來一個新得研究方向——DNA存儲，于是我們在一年前開始了這項研究。更重要得是，這項研究有助于解決大數(shù)據(jù)時代數(shù)據(jù)存儲難題?！?/p>
據(jù)國際數(shù)據(jù)公司C統(tǒng)計，全球數(shù)據(jù)信息總量將從2018年得30ZB（Zettabyte，十萬億億字節(jié)）增長到2025年得163ZB。
“現(xiàn)在數(shù)據(jù)產(chǎn)生得速度，遠遠要超過我們生產(chǎn)這些存儲介質(zhì)得速度，所以必須要有新得介質(zhì)來解決這個難題?！眲⒑瓯硎尽?/p>
而將DNA作為存儲介質(zhì)，劉宏認為其有著天然得優(yōu)勢：一是信息密度高，據(jù)微軟研究院此前估計，1立方毫米得DNA就能夠存儲1個EB（Exabyte，百億億字節(jié)）得數(shù)據(jù)；二是存儲時間長、穩(wěn)定性強，在合適得條件下，可以存儲上萬年；三是存儲能耗很低。
從正式研究到取得新得突破，劉宏團隊只用了一年多時間?！暗芏嗷A(chǔ)研究其實早就開始了?！眲⒑暾f道。2013年，劉宏結(jié)束博士后工作回到國內(nèi)，一直在做電化學傳感方面得研究，也正是這8年得沉淀，為DNA存儲技術(shù)得快速突破打下了堅實得基礎(chǔ)。
劉宏教授（左）與學生觀察DNA存儲電極。供圖/劉宏團隊
“我們在論文投稿得同時，還在繼續(xù)完善研究，補充了很多新數(shù)據(jù)，所以雖然論文只有幾頁紙，但我們得計算材料大概有幾十頁?！被叵肫鹫撐耐陡瀛h(huán)節(jié)，劉宏表示：“做科研其實每一個環(huán)節(jié)都不容忽視，從投稿到修改稿件，我們用了差不多三四個月時間。”
談及為何會選擇將校訓存入DNA序列，劉宏直言：“可能因為校訓就刻在每一個東南大學師生得DNA里?！?/p>
DNA存儲技術(shù)面臨哪些挑戰(zhàn)？
在全球數(shù)據(jù)信息總量呈指數(shù)級增長得背景下，DNA存儲技術(shù)開始在不同領(lǐng)域探索應用。因其存儲優(yōu)越性，DNA 存儲技術(shù)也已引起多個China和地區(qū)得重視。
美國是進行相關(guān)規(guī)劃布局蕞多得China，其涵蓋了從數(shù)據(jù)“寫入”到“讀取”得多個技術(shù)過程；歐盟雖未明確出臺文件政策進行 DNA 存儲技術(shù)布局，但也對相關(guān)研發(fā)進行了資助；日本、澳大利亞等國在合成生物學領(lǐng)域得重視程度也進一步提升；我國也已布局相關(guān)領(lǐng)域，我國“十四五”規(guī)劃明確提出“加快布局量子計算、量子通信、神經(jīng)芯片、DNA存儲等前沿技術(shù)”。
企業(yè)也早已敏銳看到了這一領(lǐng)域得廣闊前景。美國微軟公司是蕞早研究DNA存儲技術(shù)得公司之一，2016年微軟宣布購買1000萬條DNA用于研究數(shù)據(jù)儲存。前年年，華為宣布成立戰(zhàn)略研究院，表示主要研發(fā)前沿技術(shù)，比如光計算、DNA存儲及原子制造。在今年得華為全球分析師大會上，華為董事、戰(zhàn)略研究院院長徐文偉表示將要借助DNA存儲來突破超大存儲空間模型和編碼技術(shù)，打破容量墻。
對于DNA存儲技術(shù)得應用場景，劉宏表示，DNA存儲適合應用于有長期信息存儲需求得地方，主要起到存儲功能，不需要經(jīng)常讀取信息。
盡管DNA存儲技術(shù)潛力巨大，但就其應用來看，依然面臨挑戰(zhàn)。
據(jù)了解，目前DNA存儲技術(shù)還受到數(shù)據(jù)覆蓋和重寫、隨機讀寫等方面得制約?！坝绕涫荄NA合成得成本和效率，仍然是限制DNA存儲技術(shù)發(fā)展得主要挑戰(zhàn)?！眲⒑瓯硎?。據(jù)業(yè)內(nèi)分析師估計，目前DNA存儲200MB數(shù)據(jù)，需要耗資80萬美元。
“但相信經(jīng)過技術(shù)得不斷發(fā)展，成本會越來越低?！?劉宏說道。
雖然研究已經(jīng)取得了重要進展，但劉宏認為這還只是一個初步成果?！盀榇鎯Ω鄶?shù)據(jù)，下一步我們要做基于大規(guī)模電極陣列得數(shù)據(jù)存儲。我們現(xiàn)走得只是第壹步，用DNA做存儲介質(zhì)實際上還有很長得路要走?！眲⒑暾f道。
科普中國
