近日，東南大學師生團隊成功將該校校訓“止於至善”存入一段DNA序列，實現了DNA存儲技術的新突破，並將相關成果發表在國際學術期刊《科學·進展》上。劉宏團隊改進傳統的化學合成方法，運用電化學方法，將東南大學校訓“止於至善”4個字“翻譯”為DNA序列，並將其存儲在電極上，隨後又成功讀取出來。
“我們的重要突破點就是實現了DNA合成與測序環節的一體化，實現一體化后，DNA存儲的效率和準確性會提高，更容易實現大規模的數據存儲。”
近年來該領域迎來一個新的研究方向——DNA存儲，這項研究有助於解決大數據時代數據存儲難題。”
1994年，比爾蓋茨坐在33萬張紙上，手中拿着一張光盤告訴全世界：一張光盤能記錄的內容，比這33萬張紙都多。
“未來5-15年，中國科學家將在數據中心，手中拿着一管DNA告訴全世界：這裡面記錄的是當前全世界的數據。” 日前，中國科學院院士樊春海對未來DNA存儲技術的前景作出如此預判。
什麼是DNA存儲技術？為何它被寄予如此厚望？
DNA存儲技術取得新突破
隨着互聯網和人工智能等信息技術和數字技術的快速發展，信息量呈指數級飛快增長，磁盤、硬盤、閃存等傳統存儲介質已經逐漸不能滿足全世界範圍內數據存儲的需要。
在此背景下，信息技術和生物技術交融下的DNA存儲技術逐漸走入我們的視野。
近日，東南大學師生團隊成功將該校校訓“止於至善”存入一段DNA序列，實現了DNA存儲技術的新突破，並將相關成果發表在國際學術期刊《科學·進展》上。
東南大學師生團隊研發的DNA存儲電極。供圖/劉宏團隊
“DNA是一種序列確定的生物大分子。DNA存儲技術就是將生物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國家重點實驗室劉宏教授介紹道。
劉宏團隊改進傳統的化學合成方法，運用電化學方法，將東南大學校訓“止於至善”4個字“翻譯”為DNA序列，並將其存儲在電極上，隨後又成功讀取出來。“因為我本身就有電化學的背景，電極是我們最常用到的工具，所以就想到以這個為切入點來研究。”
“我們的重要突破點就是實現了DNA合成與測序環節的一體化，目前大多數DNA存儲的合成和測序是分開的，實際上這是一個比較偏實驗室的基礎研究。”劉宏表示，“實現一體化后，DNA存儲的效率和準確性會提高，更容易實現大規模的數據存儲。”
談及研究初衷，劉宏表示：“東南大學生物電子學國家重點實驗室，一直從事生物電子方面的研究，近年來該領域迎來一個新的研究方向——DNA存儲，於是我們在一年前開始了這項研究。更重要的是，這項研究有助於解決大數據時代數據存儲難題。”
據國際數據公司IDC統計，全球數據信息總量將從2018年的30ZB（Zettabyte，十萬億億字節）增長到2025年的163ZB。
“現在數據產生的速度，遠遠要超過我們生產這些存儲介質的速度，所以必須要有新的介質來解決這個難題。”劉宏表示。
而將DNA作為存儲介質，劉宏認為其有着天然的優勢：一是信息密度高，據微軟研究院此前估計，1立方毫米的DNA就能夠存儲1個EB（Exabyte，百億億字節）的數據；二是存儲時間長、穩定性強，在合適的條件下，可以存儲上萬年；三是存儲能耗很低。
從正式研究到取得新的突破，劉宏團隊只用了一年多時間。“但很多基礎研究其實早就開始了。”劉宏說道。2013年，劉宏結束博士后工作回到國內，一直在做電化學傳感方面的研究，也正是這8年的沉澱，為DNA存儲技術的快速突破打下了堅實的基礎。
劉宏教授（左）與學生觀察DNA存儲電極。供圖/劉宏團隊
“我們在論文投稿的同時，還在繼續完善研究，補充了很多新數據，所以雖然論文只有幾頁紙，但我們的計算材料大概有幾十頁。”回想起論文投稿環節，劉宏表示：“做科研其實每一個環節都不容忽視，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的DNA里。”
DNA存儲技術面臨哪些挑戰？
在全球數據信息總量呈指數級增長的背景下，DNA存儲技術開始在不同領域探索應用。因其存儲優越性，DNA 存儲技術也已引起多個國家和地區的重視。
美國是進行相關規劃布局最多的國家，其涵蓋了從數據“寫入”到“讀取”的多個技術過程；歐盟雖未明確出台文件政策進行 DNA 存儲技術布局，但也對相關研發進行了資助；日本、澳大利亞等國在合成生物學領域的重視程度也進一步提升；我國也已布局相關領域，我國“十四五”規劃明確提出“加快布局量子計算、量子通信、神經芯片、DNA存儲等前沿技術”。
企業也早已敏銳看到了這一領域的廣闊前景。美國微軟公司是最早研究DNA存儲技術的公司之一，2016年微軟宣布購買1000萬條DNA用於研究數據儲存。2019年，華為宣布成立戰略研究院，表示主要研發前沿技術，比如光計算、DNA存儲及原子製造。在今年的華為全球分析師大會上，華為董事、戰略研究院院長徐文偉表示將要藉助DNA存儲來突破超大存儲空間模型和編碼技術，打破容量牆。
對於DNA存儲技術的應用場景，劉宏表示，DNA存儲適合應用於有長期信息存儲需求的地方，主要起到存儲功能，不需要經常讀取信息。
儘管DNA存儲技術潛力巨大，但就其應用來看，依然面臨挑戰。
據了解，目前DNA存儲技術還受到數據覆蓋和重寫、隨機讀寫等方面的制約。“尤其是DNA合成的成本和效率，仍然是限制DNA存儲技術發展的主要挑戰。”劉宏表示。據業內分析師估計，目前DNA存儲200MB數據，需要耗資80萬美元。
“但相信經過技術的不斷發展，成本會越來越低。” 劉宏說道。
雖然研究已經取得了重要進展，但劉宏認為這還只是一個初步成果。“為存儲更多數據，下一步我們要做基於大規模電極陣列的數據存儲。我們現走的只是第一步，用DNA做存儲介質實際上還有很長的路要走。”劉宏說道。