NSR综述：DNA信息存储的现状与未来

来源：中国科学杂志社

21世纪什么最贵？信息！随着计算技术、互联网、5G通信的快速发展，信息已成为继物质、人力、资本之后的第四种资源。公共信息、生产信息、生活信息和科研信息的采集密度和广度前所未有。

当人们享受着数据与人工智能带来的便利，一个基础问题日益凸显，这就是大规模信息的存储。自2017年起，供需关系驱动存储器价格大幅度上涨。存储器不仅成为集成电路领域销售额最大的产品类别，更直接刺激全球半导体市场急速扩大。据国际数据公司（IDC）估计，五年内全球数据存储量将达到1.75×1014 GB。然而当前最密集的闪存方式，其极限存储密度也仅为103 GB/mm3。在短短十几年内，主流存储介质的需求量将远超其供应量，而大数据的传输与维护也已在成本和时效方面捉襟见肘。

上述困境使人们开始寻求潜在的新型存储介质。生命用于存储遗传信息的DNA分子进入了科学家的视野。自然界早在数亿年前就将编码生命的遗传密码存储到细胞中纳米级的DNA分子内，人们甚至可以从数万年前的化石中提取DNA分子并获得它的序列信息。如果将人类信息编码成一串串DNA序列、存储到DNA分子上，这样的分子存储器将在信息密度上有百万至千万倍的提升，同时具有极高的稳定性和便携性，以及极低的维护成本。

近期，北京大学钱珑研究员、欧阳颀院士和北京大学博士生董一名、孙法家，华大基因研究院平质博士在《国家科学评论》(National Science Review) 发表综述文章“DNA Storage: Research Landscape and Future Prospects”，系统总结了DNA信息存储的研究历史和最新进展。 

聚焦其理论极限和实现技术，作者深入探讨了DNA分子信息存储的基本原理和当前技术方法，并对其特性和在未来社会的广泛实用性进行了定量的前瞻性评估。除此之外，作为遗传信息的载体，DNA与生命的信息系统天然兼容，因此活细胞内的DNA存储有望在生物医药领域大显身手。

作者还对领域未来的研究方向和挑战提出了展望。尽管具有广泛的应用前景，当前分子信息的写入与读取技术在时效和成本上仍强烈制约着DNA存储的大范围推广。然而过去30余年的技术进步，已使DNA的合成和测序进入了摩尔定律时期，在成本降低了一千万倍的同时，时效方面，2020年新冠病毒的全基因组在几天内即得到破译。据美国NSF分子信息存储项目预测，2030年前DNA存储的写入成本将降低至1美元/GB，而数据的写入与读取速度将超越1GB/秒，可与现有存储技术匹敌。

生物技术和信息技术的学科交叉和协同发展已经并将继续重新定义现代生活，DNA存储等跨学科技术将演变为颠覆未来世界图景的关键技术。

文章信息：

DNA Storage: Research Landscape and Future Prospects

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa007