让敦煌壁画再“活”两万年

科幻大片《侏罗纪公园》讲述了这样一个故事:科学家发现了一块带有史前蚊子的琥珀，从蚊子的血液中获得了恐龙的基因，从而复活了灭绝了6000多万年的恐龙。

恐龙的生物信息存储在DNA中，若干年后提取并恢复。这听起来很有道理，但也让人倒吸一口凉气。

近日，天津大学的一项研究成果让人们更加接近想象。该校合成生物学团队将10幅精选的敦煌壁画储存在DNA中，通过加速老化等实验发现，这些壁画的信息在室温下可以保存数千年，在9.4℃下可以保存2万年。

“如果在合适的温度和其他条件下，它可以保存数千年。”中科院院士、天津大学副校长袁说。

小小的DNA有着惊人的存储能力。

人类文明史也是一部信息存储技术史。

从打结的绳子、仓库里的写字，到磁带、硬盘等现代磁光存储技术，数据存储帮助人类延续思想，记录灿烂的文明。随着造纸术和印刷术的发明，人类能够存储的数据量在几百年间增加了大约五个数量级。计算机时代，人类产生的数据呈爆炸式增长。

“世界各地都在建数据中心，数据中心的能耗惊人。”金苑说。人们在不断寻找更海量、更稳定、更安全的存储方式。

这就是大自然鬼斧神工的美妙之处——也许最好的记忆藏在生物之中。

自从地球上出现生命以来，大自然已经使用DNA存储信息超过30亿年了。人的五官是怎么摆在脸上的，体内的蛋白质是怎么合成的，眼睛是什么颜色...人类基因组如此复杂的信息，记录在比细胞小得多的DNA上，一代代被使用。

不同于各种人工存储装置，DNA极其精致却又如此耐用。它储存了亿万年无数生物的遗传信息，产生了生命繁衍、进化和生物多样性。

那么，如果把海量的信息“写入”一个u盘、硬盘之类的小DNA里，岂不是一举多得？事实上，当人类发现DNA的双螺旋结构时，美国和俄罗斯的科学家就相继提出了利用DNA存储数字信息的概念。

袁解释说，与磁、光、电等传统信息存储介质相比，DNA存储有三个最显著的优势。最大的优势在于存储密度高。目前，天津大学的研究团队已经在DNA中存储了一些经典的视频片段，体积存储密度比普通硬盘高6个数量级。

同时，存储的信息在很长时间内都是可用的。这一次，研究人员将10幅敦煌壁画的信息存储在DNA中，结合创新的算法，DNA分子可以在室温下保存一千年以上，在9.4℃下保存两万年。

这种长期保存需要低能耗。元金认为，DNA存储被视为一种潜力巨大的存储技术，成为应对数据存储增长挑战的新机遇。

壁画“改造”DNA需要几个步骤。

DNA存储的原理分为两步——信息写入和信息读取。

事实上，这个过程跨越了一个极其困难的鸿沟:它打破了有机和无机的界限，连接了生命和信息两个系统。

DNA是脱氧核糖核酸的缩写，包含“A”、“T”、“C”、“G”四个碱基。如果数字0、1、2、3分别代表一个基数，就形成了四进制的存储方式，类似于计算机采用的二进制码0和1。

通过编码变换，“基础四进制”和“计算机二进制”可以实现“对话”。天津大学合成生物学前沿科学中心的博士生韩明哲解释说，壁画的数字图像本质上是二进制位串。“我们通过编码将这些二进制位串转化为四进制ATGC碱基序列，再通过DNA合成技术将碱基序列写入DNA，壁画的数据图像就‘变’成了DNA。”

“我们已经对酵母进行了100代的传代培养，我们仍然可以完美地恢复原始数据。”袁说，如果脑洞大一点，把信息储存在一棵树上，随着这棵树生长几千年，人类的后代总能从这棵树上读出几千年前储存的信息。

这一次，这个年轻团队的创新之处在于，它可以在更恶劣的条件下可靠地读取信息。韩明哲说，保存有壁画信息的DNA实际上与天然DNA在性质上没有什么不同，也存在一些因长期保存而导致的断裂、降解等问题，影响了信息存储的长期可靠性，这也成为亟待解决的关键科学问题。

因此，他们设计了一种基于Desble理论的序列重建算法来解决DNA断裂等问题，该算法可以从严重降解的DNA样本中恢复原始信息。

为了验证数据的长期可靠性，团队在没有任何特殊保护的情况下，制备了一个DNA水溶液样本，然后在70℃下加速样本断裂和降解，时间长达十周。韩明哲说，“这个过程使80%以上的DNA片段断裂，模拟了DNA在自然环境中数千年的降解过程。”

DNA存储离实用还有多远？

虽然DNA存储并不为公众所熟知，但它正试图走出实验室。“离实用不远了。”袁说，对数据存储的惊人需求是新技术进入市场的最大动力。

据国际数据公司估计，到2025年全球数据量将达到175ZB。到2024年，全球30%的数字服务将进行DNA存储测试。但目前DNA存储要想大规模应用，尤其是在中国，还需要突破几个关键瓶颈。

该团队分析了当前DNA信息存储面临的主要挑战。信息存储成本高、信息读写速度慢、无法高效连接现有信息系统是三大主要限制因素。

根据计算，目前DNA存储和写入的成本相当于80年代内存存储的成本，需要降低7-8个数量级才能达到目前数据存储的成本。

“DNA信息存储的成本在未来有很大的下降潜力。”韩明哲认为，在未来，通过优化合成反应、改进芯片结构、更换廉价耗材和优化试剂分布，可以大大降低合成成本。

同时，由于信息存储的市场规模巨大，随着半导体器件和微纳加工在DNA信息存储领域的应用，该领域的巨额投资将对DNA合成技术产生重大影响。DNA合成技术和设备的快速迭代升级也有望快速降低成本。

DNA信息存储的读取依赖于测序技术，读取速度比磁、光、电存储慢。目前，DNA测序仪的读取速度仍然落后于硬盘3-4个数量级——现有的电、磁存储技术通常每秒可以读取几十到几百兆的数据。此外，DNA存储的标准尚未建立，它面临着与现有数字存储系统兼容的问题。

" DNA信息存储是多学科交叉融合的新兴研究方向."袁认为，DNA存储很可能成为未来海量冷数据存储的主要存储介质。

所谓冷数据，就像档案中的历史数据一样，需要保存大量的信息，但平时很少用到。由于这些数据需要长时间存储，消耗大量能量，而电子存储设备的寿命往往只有十几到几十年，而且需要不断更新迭代，很难满足冷数据存储的需求。

DNA存储的实际应用仍然面临许多挑战。袁认为，目前的突破可能只是冰山一角。"技术进步需要十年的耐心和一点运气."