在科技飞速发展的今天，数据量正呈现出井喷式的增长态势。据国际数据公司（IDC）预测，2025年全球将产生213ZB数据（1ZB=10亿TB），2029年数据量将再次翻倍。传统硅基存储技术（如硬盘、闪存等）正陷入存储密度逼近物理极限、能耗成本高、介质寿命有限等多重瓶颈，基于现有技术预计5年内将只有不到1%的数据可被保存。在ZB级数据洪流的冲击下，研究开发新型数据存储技术势在必行。而此时，一种全新的存储技术——DNA数据存储，正逐渐崭露头角，有望引领数据存储从“硅基”向“碳基”的重大转变。
一、DNA数据存储介绍
DNA数据存储是利用人工合成的脱氧核糖核酸（DNA）作为信息载体的前沿存储技术。作为生物体遗传信息的天然存储器，DNA由四种核苷酸构成，分别是腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）四种碱基，可以翻译成二进制中的00（A）、01（T）、10（G）、11（C）。在数据写入时，先将文本、图片等信息翻译成二进制代码，再将二进制代码转换为碱基的四进制序列，然后通过人工合成技术生成对应的DNA分子，并放到适宜环境中保存，从而实现数据的高密度存储。当数据读取时，再通过DNA测序技术反向操作即可。
图片来源：擎科生物公众号
图1 DNA数据存储及读取流程图
二、发展历程
DNA数据存储的发展并非一蹴而就，而是经历了多个关键的技术突破阶段。
早期探索阶段——从概念构想到实验突破。20世纪60年代，美国麻省理工学院教授维纳与苏联物理学家涅曼率先提出“遗传记忆”概念，大胆设想将DNA作为信息存储载体，为DNA数据存储技术播下理论种子。但受限于当时落后的DNA测序与合成技术，这一构想长期停留在纸面。直到1988年，哈佛大学教授戴维斯成功设计并合成含18个核苷酸的DNA片段，完成DNA存储的首次实验验证，标志着该技术从理论走向实践，开启了科研界对DNA存储的探索之路。
突破性发展阶段——从实验可行到实践可行。2012年，哈佛大学教授丘奇采用短链DNA进行编码，成功将一本659kb的书籍内容转化为DNA序列，最终测序结果仅出现22个错误。2016年，微软和华盛顿大学的研究人员对外公布，其利用DNA存储技术成功实现了约200MB数据的保存，包括《战争与和平》在内的100部文学作品。这些成果首次证明DNA能够存储大容量数据，充分展现了其作为存储介质的巨大潜力。
快速迭代阶段——技术革新与成本优化。2025年，麻省理工学院的研究团队研发出一种新型聚合物材料，能够在室温环境下实现DNA的长期稳定保存。同年，中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）等单位科研人员提出了一种经济高效的存储方法——DNA活字喷墨打印机“毕昇一号”。该技术以预制短DNA片段为存储单元，每个片段存1字节信息，通过酶连接组装成DNA活字块，类似于毕昇印刷术的“活字重组逻辑”，通过标准化预制片段的灵活拼接实现信息的高效存储与组合。“毕昇一号”成功实现各类数字文件的高效存储与精准还原，解码准确率达100%，并且无需从头合成DNA序列进行编码，将DNA活字存储成本降至122美元/MB（主流DNA存储3500美元/MB），推动DNA存储技术迈向实用化。
图片来源：中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）官网
图2 “毕昇一号”DNA活字存储流程图
三、优势分析
与传统数据储存方式相比，DNA数据存储主要具有以下三大优势：
超高存储密度：DNA数据存储的超高存储密度堪称“数据存储界的奇迹”，1克DNA就能容纳约215PB的数据（约1000万小时高清视频），理论上一吨DNA即可存储全球现有数据总量，远超传统硬盘或磁带的容量极限。
超长存储寿命：DNA具有高度稳定性，在适宜条件下，可保存数千年乃至更久。近年科学家曾从格陵兰岛冻土中成功提取200万年前的DNA序列，其中信息仍历历可辨。相比硬盘等传统存储介质几年到十几年的使用寿命，DNA存储优势显著。
超低能耗：传统数据中心每存储1PB数据，每年的耗电量大致在8万-30万度电；与之相比，DNA数据存储仅在DNA合成、编码过程中产生少量能耗，一旦数据写入完成，仅需基础的冷藏保存条件，后续能耗几乎可忽略不计。
四、面临的挑战
存储成本高。当下，主流DNA存储多以化学合成碱基来写入数据，过程复杂、耗时久且成本高。虽然以“毕昇一号”为代表的创新技术已将DNA活字存储成本降至122美元/MB，但与传统硬盘、闪存每MB不到0.01美元的成本相比，仍存在巨大差距。
读写速度慢。相较于硬盘、闪存等读写速度最快可达到数百/数千MB/S，DNA存储写入速度目前每天仅能达到MB量级，读取速度同样迟缓。传统DNA存储依赖逐条合成与测序，在DNA合成过程中，每添加一个碱基所需时间大约为0.1秒钟，这使得整体写入过程极为缓慢。
DNA合成出现错误。在DNA合成过程中易出现碱基缺失错误，每碱基发生率约0.2%～1%。这类缺失会导致序列阅读框移位，进而使解码时数据出现连贯性偏差，为准确还原存储信息带来巨大挑战。此外，合成中还可能伴随少量碱基插入或替换错误，进一步增加了数据解码的复杂性。
技术标准不统一。目前DNA数据存储技术尚未形成统一的行业执行标准，不同的实验室科研人员和企业使用者在操作DNA存储介质时，无法按照同样的方式来进行DNA存储和读取，这阻碍了DNA信息存储技术走向商业化应用的进程。
五、发展趋势及对策建议
DNA存储的独特优势正促使其应用领域不断拓展。在长期冷数据（国家历史档案、珍贵文物资料等）存储方面，其超长存储时间和高存储密度特性使其成为理想选择。在航天领域，低能耗、高稳定性和高存储密度让它有望用于存储航天器飞行数据、科学实验数据等。在医疗健康领域，能用于长期保存患者个体基因数据。未来DNA存储将走进千家万户，在数据存储市场占据重要地位，与传统存储方式共同构建多元化存储格局。
建议加快推动DNA数据存储技术与人工智能、生物信息学等前沿技术的交叉融合，通过跨学科协同创新突破技术瓶颈；积极开展与大型数据中心、医疗机构等合作，以应用场景驱动技术迭代；同时，加强国际间技术交流与合作，共同推动DNA数据存储技术标准制定与应用推广，加速新技术的成熟与普及。期待DNA数据存储技术在未来能够彻底改变数据存储格局，开启一个全新的“碳基”存储时代。
参考文献
[1]董一名,孙法家,武瑞君,钱珑.DNA数字信息存储的研究进展[J].合成生物学,2021,2(3):323-334.
[2]DNA存储技术及其在档案信息存储中应用的可能［EB/OL］.https://mp.weixin.qq.com/s/-nDb4qK3wWQda0pk-oO2pg
[3]基因合成驱动DNA存储：开启万亿数据存储的新时代［EB/OL］.
https://mp.weixin.qq.com/s/0nP3E4_GVFCnUJY_5zEV8w
作者介绍
赵瑞鑫
中级经济师
长期关注研究生物经济、医药健康等领域，深度参与《北京合成生物发展现状及未来发展路径研究》《北京市“十五五”时期生物医药产业发展分析服务》《完善北京市支持创新药械发展的监管和支付机制研究》等多项北京市相关产业研究、政策制定等咨询服务，获2025年北京市优秀咨询成果奖一等奖1项。
严一凡
咨询师
长期关注研究生物经济领域，深度参与《国家生物制造产业创新中心创新能力建设项目》《北京合成生物发展现状及未来发展路径研究》等多项生物领域咨询项目，在北京市生物产业战略规划、政策制定等方面拥有丰富实践，获2025年北京市优秀咨询成果奖一等奖1项。
编辑：张 华
审核：兰国威
