DNA存儲重大突破：科學家首創無酶可重寫DNA硬盤

全球數據量正以驚人速度爆炸式增長，無論是傳統硬盤、磁帶，還是云存儲中心，都面臨著能耗高企、容量瓶頸和安全隱患等問題。為突破存儲瓶頸，科學家們將目光投向大自然中最精密的信息載體：DNA。

作為地球上最緊湊、最持久的信息載體，DNA 在理論上能將全球所有數據裝進一個鞋盒大小的空間里，穩定保存數千年，且復制成本極低。但長期以來，DNA 存儲存在一個致命短板：數據一旦被“寫入（合成）”，就變成了永久性的“只讀”文件，無法修改或擦除。

直到近日，美國密蘇里大學（University of Missouri）的研究團隊在《美國科學院院刊-連結》（PNAS Nexus）上發表了一項突破性研究，有望徹底改變這一局面。他們成功擺脫了昂貴的 DNA 從頭合成與酶促反應的限制，開發出全球首個無合成、無酶、可反復重寫的 DNA 記憶系統，讓 DNA 從“一次性膠片”升級為可反復擦寫的“分子硬盤”。

（來源：PNAS Nexus）

DNA 存儲的優勢與“只讀”痛點

在傳統的硅基計算機中，信息以“0”和“1”的二進制形式存儲，DNA 數據存儲則更進一步，將這些二進制位轉換為構成 DNA 的四種化學堿基字母：A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鳥嘌呤）和 T（胸腺嘧啶），，通過機器合成特定 DNA 鏈實現寫入。

與運行龐大且耗電量驚人的數據中心相比，DNA 存儲的優勢顯而易見：它是三維空間存儲，而非平面芯片，因此可實現極致的存儲密度；在保持干燥和低溫的條件下，DNA 可以穩定保存數千年；此外，DNA 存儲的數據維護幾乎不需要消耗電力，能耗極低。

現有 DNA 存儲需要將照片或視頻的數據序列，通過極其昂貴的機器“從頭合成（de novo synthesis）”出全新的 DNA 鏈。這種依賴酶促反應的合成過程不僅成本高昂、操作復雜，而且數據一旦寫入，便無法更新或重復使用，這極大限制了其在日常高頻讀寫場景中的應用。

（來源：密蘇里大學）

核心突破：無需合成的“移碼編碼”與可重寫機制

該研究的通訊作者、密蘇里大學工程學院化學與生物醫學工程教授顧立群指出：“DNA 是生命藍圖的絕佳載體，我們的目標是讓它在分子層面實現更快、更簡單、更高效的讀寫重寫?！?/p>

為了讓 DNA 存儲可發揮現代硬盤般的作用，密蘇里大學的研究人員開發出了一套無需從頭合成、無需酶促反應的全新 DNA 記憶系統。其核心創新在于移碼編碼（Frameshift Encoding）的寫入方式，使用納米孔中斷解碼（Nanopore Duplex Interruption Decoding）進行精準讀取，以及最為關鍵的，通過立足點介導的鏈置換（Toehold-Mediated Strand Displacement）：技術實現定點擦寫。

首先是移碼編碼技術，研究團隊的靈感來源于病毒的核糖體移碼現象。他們摒棄了傳統的“合成新 DNA 鏈”的做法，采用了一條通用長 DNA 單鏈作為“模板”，并在模板的預定位置上退火結合不同長度的“微型短鏈”，以此來代表不同的數據位，編碼二進制信息。

就像搭積木一樣，整個過程無需合成新 DNA 鏈、無需酶催化、無需任何標記，直接實現了快速、低成本且并行的信息寫入。

（來源：PNAS Nexus）

在數據讀取階段，研究團隊使用了一種緊湊的分子級探測器——MspA 納米孔傳感器。當帶有微型短鏈的 DNA 長模板穿過這個極小的納米孔時，雙鏈結構會被物理“解開”。

在解開的過程中，DNA 會引產生獨特的電流阻斷信號。研究人員發現了一種新型的解鏈標記，利用移碼引起的電流特征，讓軟件能夠精確解析出每一個數據位，從而實現高精度讀取。

最后是讓 DNA 變成“可重寫硬盤”的關鍵機制。由于數據是通過模板上的短雙鏈結構來編碼的，研究人員利用立足點介導的鏈置換這一生化反應，可極其高效且精準地將特定的微型短鏈“剝離”，替換為新的短鏈。這就意味著，用戶可以像在電腦上修改文檔一樣，針對特定比特進行定向擦除和重寫。這一機制讓 DNA 真正具備了“硬盤級”可重寫能力。

（來源：PNAS Nexus）

超高安全性與未來圖景：拇指大小的“分子 U 盤”

除了高容量和可重寫性，這種物理層面的分子存儲還帶來了可靠的安全屬性。因為 DNA 是一個離線的物理實體，無需像電子系統那樣時刻連接網絡，天然具備極高的網絡安全防護能力，可完全避免黑客的遠程攻擊，非常適合用于保護個人記憶、核心機密文件、科學數據以及企業檔案。顧立群教授將其形象地比作數字生活的“超級安全保險箱”。

圖 | Andrew Gu（來源：密蘇里大學）

這項涵蓋了物理學、生物學、數據科學和材料科學的跨學科研究，在概念上證明了 DNA 作為高級信息技術媒介的潛力，還規劃了清晰的未來路線圖。

長遠來看，研究團隊正在開發配套的緊湊型電子設備，希望將這種基于納米孔的讀取工具縮小到一個 U 盤的大小。根據論文展望，這種可重寫的 DNA 存儲框架不僅能替代現有的高能耗存儲技術，未來還有望跨界應用于內存計算、安全數據加密與解密，以及動態生物分子傳感等前沿領域。

伴隨著這項技術的不斷優化，或許在不久的將來，把全世界的數據裝進口袋將成為我們日常生活的一部分。

參考內容：

https://showme.missouri.edu/2026/mizzou-researchers-developing-a-rewritable-dna-hard-drive/

https://techxplore.com/news/2026-03-rewritable-dna-hard-storage-crisis.html

https://academic.oup.com/pnasnexus/article/4/9/pgaf233/8248423

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