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科学家首创无酶可重写DNA硬盘,实现DNA存储重大突破

时间:2026-03-05 13:01
全球数据量正以惊人速度爆炸式增长,无论是传统硬盘、磁带,还是云存储中心,都面临着能耗高企、容量瓶颈和安全隐患等问题。为突破存储瓶颈,科学家们将目光投向大自然中最精密的信息载体:DNA。作为地球上最紧

全球数据量正以惊人速度爆炸式增长,无论是传统硬盘、磁带,还是云存储中心,都面临着能耗高企、容量瓶颈和安全隐患等问题。为突破存储瓶颈,科学家们将目光投向大自然中最精密的信息载体:DNA。

作为地球上最紧凑、最持久的信息载体,DNA 在理论上能将全球所有数据装进一个鞋盒大小的空间里,稳定保存数千年,且复制成本极低。但长期以来,DNA 存储存在一个致命短板:数据一旦被“写入(合成)”,就变成了永久性的“只读”文件,无法修改或擦除。

直到近日,美国密苏里大学(University of Missouri)的研究团队在《美国科学院院刊-连结》(PNAS Nexus)上发表了一项突破性研究,有望彻底改变这一局面。他们成功摆脱了昂贵的 DNA 从头合成与酶促反应的限制,开发出全球首个无合成、无酶、可反复重写的 DNA 记忆系统,让 DNA 从“一次性胶片”升级为可反复擦写的“分子硬盘”。


(来源:PNAS Nexus)

DNA 存储的优势与“只读”痛点

在传统的硅基计算机中,信息以“0”和“1”的二进制形式存储,DNA 数据存储则更进一步,将这些二进制位转换为构成 DNA 的四种化学碱基字母:A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)、G(鸟嘌呤)和 T(胸腺嘧啶),,通过机器合成特定 DNA 链实现写入。

与运行庞大且耗电量惊人的数据中心相比,DNA 存储的优势显而易见:它是三维空间存储,而非平面芯片,因此可实现极致的存储密度;在保持干燥和低温的条件下,DNA 可以稳定保存数千年;此外,DNA 存储的数据维护几乎不需要消耗电力,能耗极低。

现有 DNA 存储需要将照片或视频的数据序列,通过极其昂贵的机器“从头合成(de novo synthesis)”出全新的 DNA 链。这种依赖酶促反应的合成过程不仅成本高昂、操作复杂,而且数据一旦写入,便无法更新或重复使用,这极大限制了其在日常高频读写场景中的应用。


(来源:密苏里大学)

核心突破:无需合成的“移码编码”与可重写机制

该研究的通讯作者、密苏里大学工程学院化学与生物医学工程教授顾立群指出:“DNA 是生命蓝图的绝佳载体,我们的目标是让它在分子层面实现更快、更简单、更高效的读写重写。”

为了让 DNA 存储可发挥现代硬盘般的作用,密苏里大学的研究人员开发出了一套无需从头合成、无需酶促反应的全新 DNA 记忆系统。其核心创新在于移码编码(Frameshift Encoding)的写入方式,使用纳米孔中断解码(Nanopore Duplex Interruption Decoding)进行精准读取,以及最为关键的,通过立足点介导的链置换(Toehold-Mediated Strand Displacement):技术实现定点擦写。

首先是移码编码技术,研究团队的灵感来源于病毒的核糖体移码现象。他们摒弃了传统的“合成新 DNA 链”的做法,采用了一条通用长 DNA 单链作为“模板”,并在模板的预定位置上退火结合不同长度的“微型短链”,以此来代表不同的数据位,编码二进制信息。

就像搭积木一样,整个过程无需合成新 DNA 链、无需酶催化、无需任何标记,直接实现了快速、低成本且并行的信息写入。


(来源:PNAS Nexus)

在数据读取阶段,研究团队使用了一种紧凑的分子级探测器——MspA 纳米孔传感器。当带有微型短链的 DNA 长模板穿过这个极小的纳米孔时,双链结构会被物理“解开”。

在解开的过程中,DNA 会引产生独特的电流阻断信号。研究人员发现了一种新型的解链标记,利用移码引起的电流特征,让软件能够精确解析出每一个数据位,从而实现高精度读取。

最后是让 DNA 变成“可重写硬盘”的关键机制。由于数据是通过模板上的短双链结构来编码的,研究人员利用立足点介导的链置换这一生化反应,可极其高效且精准地将特定的微型短链“剥离”,替换为新的短链。这就意味着,用户可以像在电脑上修改文档一样,针对特定比特进行定向擦除和重写。这一机制让 DNA 真正具备了“硬盘级”可重写能力。


(来源:PNAS Nexus)

超高安全性与未来图景:拇指大小的“分子 U 盘”

除了高容量和可重写性,这种物理层面的分子存储还带来了可靠的安全属性。因为 DNA 是一个离线的物理实体,无需像电子系统那样时刻连接网络,天然具备极高的网络安全防护能力,可完全避免黑客的远程攻击,非常适合用于保护个人记忆、核心机密文件、科学数据以及企业档案。顾立群教授将其形象地比作数字生活的“超级安全保险箱”。


图 | Andrew Gu(来源:密苏里大学)

这项涵盖了物理学、生物学、数据科学和材料科学的跨学科研究,在概念上证明了 DNA 作为高级信息技术媒介的潜力,还规划了清晰的未来路线图。

长远来看,研究团队正在开发配套的紧凑型电子设备,希望将这种基于纳米孔的读取工具缩小到一个 U 盘的大小。根据论文展望,这种可重写的 DNA 存储框架不仅能替代现有的高能耗存储技术,未来还有望跨界应用于内存计算、安全数据加密与解密,以及动态生物分子传感等前沿领域。

伴随着这项技术的不断优化,或许在不久的将来,把全世界的数据装进口袋将成为我们日常生活的一部分。

参考内容:

https://showme.missouri.edu/2026/mizzou-researchers-developing-a-rewritable-dna-hard-drive/

https://techxplore.com/news/2026-03-rewritable-dna-hard-storage-crisis.html

https://academic.oup.com/pnasnexus/article/4/9/pgaf233/8248423

运营/排版:何晨龙

来源:https://www.163.com/dy/article/KN8L8DDK05119734.html
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