经济高效！中国科研打造DNA活字存储及“毕昇一号”打印机

本文介绍了中国科学院北京基因组研究所等单位的科研人员受古代活字印刷术启发，提出DNA活字存储方法并研发出“毕昇一号”DNA活字喷墨打印机的相关情况，阐述了DNA存储的优势、现有技术瓶颈以及新方法的设计思路和成果。

在3月18日，有一则来自科研领域的重磅消息。据中国科学院北京基因组研究所（国家生物信息中心）透露，来自该所等单位的科研人员，从我国古代伟大的活字印刷术获得灵感，提出了一种经济高效的DNA活字存储方法。不仅如此，他们还成功研发出了一台具有重要意义的设备——DNA活字喷墨打印机“毕昇一号”。这一重要的科研成果，更是作为封面文章发表在了知名的《Advanced Science》杂志上。

大家可能会好奇，为什么科研人员会如此关注DNA存储呢？原来，DNA作为一种天然的数据信息编码存储材料，采用A – T – C – G四进制编码。它具有诸多令人瞩目的优点，比如高密度，其密度是现有存储介质的107倍；长寿命，在低温环境下可以稳定保存长达数千万年；还有低能耗等特点。这些优势使得DNA成为解决大数据存储困境极具潜力的替代方案。然而，目前绝大多数的DNA数据存储技术采用的是类似“雕版印刷”的设计策略。这种策略存在明显的弊端，合成成本高，而且耗时长，这极大地限制了DNA存储技术在实际中的应用。

为了突破现有DNA存储技术的应用瓶颈，国家生物信息中心应用发展部陈非研究团队与中国科学院计算技术研究所处理器全国重点实验室谭光明、卜东波团队以及中科计算技术西部研究院段勃团队展开了合作。他们借鉴我国古代四大发明之一的“活字印刷术”逻辑，创新性地提出了一种经济高效的“DNA活字存储”设计思路。

该设计思路的核心是“DNA活字”。它是由预制的20 nt短双链DNA片段构成的，这些片段可以编码1字节的内容、地址或校验数据信息。每个片段的两端带有4 nt的粘性末端，通过一步多级酶连技术能够形成DNA活字块。最终，这些活字块既可以通过活字块两端的限制性酶切位点克隆到质粒中，直接在体外保存；也可以通过转化大肠杆菌，在体内保存。

▲DNA活字存储流程图

为了实现DNA活字存储流程的自动化，团队研发了一款关键设备——DNA活字喷墨打印机“毕昇一号”。这台打印机表现十分出色，它成功打印存储了文本、图片、音频和视频等多种类型的计算机数据存储文件，并且解码的精准度达到了100%。

从中国科学院北京基因组研究所了解到，研究团队经过估算，目前初代系统的一个DNA活字可以打印10000次，存储成本能够降至122美元 / MB，这一成本低于目前所有报道的DNA数据存储系统。同时，初代系统的打印效率约为4字节 / 秒，用时远远低于目前的从头合成的DNA存储技术。

中国科研团队受古代活字印刷术启发，提出DNA活字存储方法并研发“毕昇一号”DNA活字喷墨打印机的成果。介绍了DNA存储的优势与现有技术瓶颈，详细说明了新的设计思路及“毕昇一号”的性能，该成果在存储成本和打印效率上都有显著优势，为解决大数据存储困境提供了新的可能。