DNA數字信息存儲：造夢、追夢與圓夢

錢瓏，沈玥，元英進，歐陽頎，楊煥明

生物體具有精妙絕倫的信息系統。2010年，美國J.Craig Venter研究院將化學合成的約1 Mb的基因組DNA導入受體細菌，成功啟動了世界首個“人造生命”辛西婭。這條基因組攜帶有46位科學家的姓名和一個專屬郵箱地址，訴說著人類作為造物主，設計生命、書寫遺傳密碼的浪漫主義情懷。如今，雖然我們對基因組的奧秘仍一知半解，將人工信息寫入DNA分子卻已成為觸手可及的技術現實。DNA信息存儲從狹義上講，是以線性堿基序列的形式，合成并保存編碼任意數字信息的DNA分子；從廣義上講，意味著數字信息與生命信息的物理融合。2018年底，美國國家標準技術研究所、國際半導體研究聯盟、美國情報高級研究計劃局等聯合發布《半導體合成生物學路線圖》；2021年5月，我國科技部發布了“十四五”國家重點研發計劃“生物與信息融合”（BT與IT融合）重點專項項目申報指南。這代表著世界兩大經濟體對于以DNA存儲為代表的未來顛覆性融合技術的頂層認可。

DNA數字信息存儲從藝術嘗試走向技術現實，依賴的是DNA合成與DNA測序技術的跨越式發展。當前，已可以實現近GB規模任意格式文件在DNA分子中的穩定存儲，并可以在幾天內對數據進行恢復。如果說初期的DNA存儲僅僅是合成與測序技術的附屬品，那么近年來，隨著全球信息量的爆發式增長和傳統信息存儲資源告急，DNA存儲的“破局性”價值得到認可，一步跨入了工程化階段。這座工程學大廈的根基是DNA單堿基分辨率的讀寫技術，經歷幾十年更迭的DNA擴增、組裝技術，和用于DNA分子封裝的創新材料科學技術。DNA存儲的另一支柱是數字信息的編碼理論；各種通信領域的成熟算法應用于DNA存儲的信息壓縮與糾錯，形成了百家爭鳴的局面。

必須注意的是，DNA存儲并不是已有技術的生搬硬套。生命系統的信息組織形式與電子信息系統的最大區別在于其并行本質。反應體系中的DNA分子在容納海量數據的同時，存在著廣泛的冗余和串擾效應。DNA信息的寫入、復制、分發、尋址、讀取等操作均是基于擴散的并行反應。因此，傳統的信息操作方式都需要適配生化體系特點；這些研究反過來也將啟發我們對于小尺度電子信息系統的認知。本刊集結了國內一線工作者，對DNA存儲的技術和理論鏈條中的各個環節進行了逐一論述與研究成果的分享。中國科學院深圳先進技術研究院戴俊彪團隊系統總結了從DNA短片段合成到長片段組裝的一系列生化方法及其優缺點，并針對DNA存儲的需求，提出了全流程聯合優化策略；而東南大學陸祖宏團隊則聚焦二代高通量DNA合成技術，對不同工業實現方案進行了詳細的橫向比較。天津大學齊浩團隊針對DNA寡核苷酸庫不均一所造成數據的缺失問題，介紹了合成、保存和擴增等過程中新的生化技術手段；南方科技大學蔣興宇團隊則著重綜述了DNA存儲現有的數據加密和修改策略，由于寡核苷酸庫存儲與傳統存儲介質的讀寫方式不同，加密和修改需要對信息本身進行預設的修飾。在編碼方面，天津大學陳為剛團隊報道了自主開發的適用于染色體長片段存儲和二代大規模并行測序讀取的數據編解碼方法，巧妙利用長片段DNA載體無需索引和二代測序極低錯誤率的特點，實現了較高的編碼密度。此外，我國學者還特別關注技術標準評價體系的制定，深圳華大生命科學研究院沈玥團隊報道了自主搭建的DNA存儲的編解碼算法系統性評估平臺，用以對各種算法的文件適配性、存儲穩定性和數據安全性進行全面、定量的對比評估。這些工作彰顯了DNA存儲的研究熱度及其廣泛多樣的技術領域。通過系統梳理全球公開專利，中科院上海生命科學信息中心熊燕團隊詳細繪制了過去二十年來DNA合成與信息存儲的技術發展歷程，并依此對該領域的技術深化與交織進行了趨勢預測。

除了當前研究熱點所在的寡核苷酸庫存儲，DNA存儲還存在其他極具潛力的實現方式。在本刊中，天津大學元英進團隊針對DNA存儲不同實現方式的特點，精彩地將其類比于硬盤、光盤與磁帶三大模式，它們分別對應著從大到小的數據規模和從易到難的操作流程。今年初，元英進團隊在《國家科學評論》發表基于酵母人工染色體的DNA信息存儲工作，為DNA存儲的“光盤”模式書寫上濃重一筆，在本刊中，上海交通大學樊春海團隊對此最新成果進行了特別評述。另一值得注意的是近兩年嶄露頭角的“磁帶”模式，即利用基因編輯工具在基因組特定區段上動態寫入指定信息，磁帶模式可以實時記錄發生在細胞內外的生化事件，是與生命系統聯結最緊密的人工信息系統。北京大學錢瓏團隊在綜述中集中展望了包括基因組動態寫入在內的DNA存儲的前沿研究與應用方向。這些研究的興起指向了超越信息存儲的下一個夢想：DNA將成為信息系統與生命系統的橋梁，介導以生命為載體的存算一體結構，通過工程生物學手段，使得傳感器、處理器等概念在極低能耗的微小生命單元中得以實現，最終造就基于生命的人工信息系統。

歷經造夢、追夢，DNA存儲正向著圓夢邁進。但它并不會止步于此，而將不斷創造出新的生物技術目標。這是科學與工程的交替式前進，是不同學科交叉融合、協同向前的生動案例，并且極有可能成為生命系統對生產力的直接轉化的第一個成熟案例。從DNA存儲到生物智造、細胞治療，再到腦機接口，生命系統與信息世界正在分子、細胞、機體和高級意識的多個層次上進行全面融合。站在生物與信息融合技術的元年，我們或可從現在的技術雛形中窺見未來的生活方式。