大數(shù)據(jù)時代全球數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，海量數(shù)據(jù)是AI解鎖大模型的鑰匙。但目前的硬盤、磁帶、U盤等硅基存儲介質(zhì)存在壽命短（最長30年）、能耗高、占用空間大等問題，已無法滿足日益增長的數(shù)據(jù)存儲需求。預(yù)計到2028年，全球年產(chǎn)數(shù)據(jù)量將達380 ZB，其中80%為冷數(shù)據(jù)，應(yīng)用目前存儲技術(shù)只有不到1%的數(shù)據(jù)可被保存，發(fā)展新型數(shù)據(jù)存儲技術(shù)勢在必行。
DNA作為天然的數(shù)據(jù)信息編碼存儲材料（A-T-C-G四進制編碼），因其高密度（為現(xiàn)有存儲介質(zhì)的107倍）、長壽命（低溫下可穩(wěn)定保存長達數(shù)千萬年）、低能耗等優(yōu)點，成為一種極具潛力的解決大數(shù)據(jù)存儲困境的替代方案。但是，目前絕大多數(shù)DNA數(shù)據(jù)存儲技術(shù)采用類似“雕版印刷”的設(shè)計策略，存儲用DNA使用一次，合成一次，合成成本高，耗時長，極大限制了DNA 存儲技術(shù)的實際應(yīng)用。
為了突破現(xiàn)有DNA 存儲技術(shù)的應(yīng)用瓶頸，國家生物信息中心應(yīng)用發(fā)展部陳非研究團隊與中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所處理器全國重點實驗室譚光明、卜東波團隊、中科計算技術(shù)西部研究院段勃團隊合作，借鑒我國古代四大發(fā)明之“活字印刷術(shù)”邏輯，創(chuàng)新提出了一種經(jīng)濟高效的“DNA活字存儲”設(shè)計思路，其核心是“DNA活字”，它由預(yù)制的20 nt短雙鏈DNA片段構(gòu)成，可編碼1字節(jié)的內(nèi)容、地址或校驗數(shù)據(jù)信息，每個片段兩端帶有4 nt的粘性末端，通過一步多級酶連技術(shù)形成DNA活字塊，最終，這些活字塊可通過活字塊兩端的限制性酶切位點克隆到質(zhì)粒中直接體外保存，其亦可通過轉(zhuǎn)化大腸桿菌體內(nèi)保存。為了實現(xiàn)DNA活字存儲流程的自動化，團隊研發(fā)了一款可實現(xiàn)DNA活字高通量打印寫入的設(shè)備——DNA活字噴墨打印機“畢昇一號”，成功打印存儲并100%精準解碼了文本、圖片、音頻和視頻等多種類型的計算機數(shù)據(jù)存儲文件。
類似于活字印刷的復(fù)用性和靈活性，目前的 DNA活字存儲技術(shù)展現(xiàn)出顯著的成本和效率優(yōu)勢。經(jīng)研究團隊估算，目前初代系統(tǒng)一個DNA活字可打印10000次，存儲成本可降至122美元/MB，低于目前所有報道的DNA數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)；初代系統(tǒng)的打印效率約為4字節(jié)/秒，用時遠低于目前的從頭合成的DNA存儲技術(shù)；這不僅展現(xiàn)了該技術(shù)未來商業(yè)化與產(chǎn)業(yè)化的巨大潛力，也為DNA數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的未來發(fā)展提供了全新的思考范式。
上述研究成果以標題為“Cost-Effective DNA Storage System with DNA Movable Type”的封面文章形式發(fā)表在《先進科學(xué)》 （Advanced Science）上，國家生物信息中心陳非研究員、中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所譚光明、卜東波研究員以及西部高等技術(shù)研究院段勃研究員為文章的共同通訊作者。該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的資助。
DNA活字存儲流程圖
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