研究人員探索可重寫DNA“硬盤” 或成高密度、低能耗信息存儲新路徑

一支來自美國密蘇里大學(xué)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)近日提出了一種全新的生物學(xué)存儲方案，宣稱有望將 DNA 分子“改造”成一種可重寫的數(shù)字硬盤，用于保存各類數(shù)字文件。盡管距離實(shí)際商用仍有多年之遙，但這一研究被認(rèn)為是 DNA 數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域向前邁出的重要一步。

論文共同作者、研究人員顧立群（Li?Qun Gu）指出，DNA 是一種極為緊湊且高度穩(wěn)定的信息載體，天然 DNA 鏈記錄著地球上所有生命的遺傳藍(lán)圖，而團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)則是將這種分子體系重新設(shè)計(jì)為面向計(jì)算機(jī)世界的通用存儲介質(zhì)。為此，他們提出了一種基于“移碼編碼”（frameshift encoding）的寫入方法，這一概念來自病毒中廣泛存在的核糖體移碼機(jī)制：單條 mRNA 鏈可以通過偏移閱讀框來生成多種蛋白，從而在有限序列中“擠出”更高的信息密度。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一原理同樣可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字寫入流程，即通過對 DNA 堿基序列的精細(xì)設(shè)計(jì)，將 0 和 1 編碼進(jìn)分子結(jié)構(gòu)之中，實(shí)現(xiàn)快速、成本可控且高度并行化的數(shù)據(jù)寫入。這一方法的技術(shù)細(xì)節(jié)已發(fā)表于期刊 PNAS Nexus，作者在文中提出，這種受核糖體移碼啟發(fā)的編碼策略有潛力支撐可擴(kuò)展的分子級數(shù)據(jù)寫入體系，但要走向工程化與商業(yè)化，仍存在大量生物化學(xué)與系統(tǒng)工程層面的挑戰(zhàn)。

在讀出端，研究人員開發(fā)了一套緊湊型電子裝置配合分子檢測器使用：當(dāng)合成 DNA 鏈通過檢測器時，其引發(fā)的細(xì)微電荷變化會被采集并轉(zhuǎn)譯為二進(jìn)制序列，最終重構(gòu)為數(shù)字文件。顧立群稱，與以往 DNA 存儲方案相比，這一新方法在速度、操作簡便性和環(huán)境友好性方面具有優(yōu)勢。不過，目前裝置的體積仍然偏大，距離做到類似 U 盤那樣的便攜形態(tài)，還需要進(jìn)一步小型化與集成化設(shè)計(jì)。

在潛在應(yīng)用方面，研究團(tuán)隊(duì)給出了頗具想象空間的愿景：DNA 存儲有望被用來保護(hù)從個人記憶、重要文件到科學(xué)數(shù)據(jù)與企業(yè)檔案在內(nèi)的各類信息，并且不依賴傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，從而在一定程度上規(guī)避現(xiàn)有數(shù)字系統(tǒng)所面臨的網(wǎng)絡(luò)攻擊與網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。“可以把它想象成一間極為安全的數(shù)字保險(xiǎn)箱。”顧立群表示。

從物理特性看，DNA 的雙螺旋是微觀尺度上的三維生物結(jié)構(gòu)，這一分子架構(gòu)賦予其遠(yuǎn)高于二維半導(dǎo)體芯片或傳統(tǒng)磁記錄盤片的理論存儲密度。同時，離線、分子級的存儲形態(tài)也被部分研究者視為對某些類型網(wǎng)絡(luò)入侵具有天然“隔離”優(yōu)勢。不過，如何在超高密度、長時間保存和快速隨機(jī)讀寫之間取得工程平衡，仍是該領(lǐng)域的核心難題之一。

全球范圍內(nèi)，基于 DNA 的信息存儲技術(shù)已被持續(xù)探索多年，研究重點(diǎn)包括提升設(shè)備實(shí)用性、降低合成與測序成本，以及加速數(shù)據(jù)編碼與解碼過程等。此前的相關(guān)工作包括提出“DNA 盒帶”概念以存儲海量音頻內(nèi)容，以及借助人工智能大幅提升 DNA 數(shù)據(jù)檢索效率等。密蘇里大學(xué)團(tuán)隊(duì)此次提出的可重寫 DNA“硬盤”方案，則是在這一研究脈絡(luò)上，嘗試用全新的編碼方式與讀寫架構(gòu)推動技術(shù)向前再走一步。