近日，記者從兩江新區科研院所中科計算技術西部研究院（下稱：西研院）獲悉，該院與中國科學院北京基因組研究所（國家生物信息中心）、中國科學院計算技術研究所等多家科研機構歷經三年多的緊密合作與不懈努力研發出“DNA活字打印機”，該技術可以顯著降低DNA存儲系統的使用成本。

其中，研發團隊研發了“DNA活字打印機”工程樣機“畢昇一號”，這也是重慶誕生的首台“DNA活字打印機”，技術達到世界領先水平。

近日，位於兩江新區的中科計算技術西部研究院，實驗人員正在調試DNA活字存儲噴墨打印機“畢昇一號”樣機。記者 張錦輝 攝/視覺重慶

近日，上述研究成果以《Cost-Effective DNA Storage System with DNA Movable Type》為題，在國際知名期刊《ADVANCED SCIENCE》（《尖端科學》）發表。

什麼是DNA存儲，用DNA存儲有哪些優勢？“DNA活字存儲”又是啥？“畢昇一號”有哪些功能？記者到西研院進行了打探。

個頭小、容量大

DNA“天生”就適合存儲數據

西研院科研人員楊東鑫介紹，在大數據時代，全球的數據增長呈現井噴之勢。根據IDC的預測，僅2024年一年，全球就將生成159.2ZB數據。而1ZB等於1萬億GB。電腦硬盤的1TB僅等於1024GB。

為了存儲海量數據，全球各地修建了大量的數據中心。硬盤、U盤等，也不斷“擴容”。但常見的硬盤壽命往往不足10年，每5-6年就需要更新，以免造成數據丟失。

在此情況下，急需一種體積小、容量大、保存壽命長的存儲介質。而攜帶海量遺傳信息的脫氧核糖核苷酸（DNA），就是一種很好的存儲工具。

早在10多年前，國際上就提出了基於DNA的數據存儲技術，即通過人工合成的DNA保存文本、圖片和聲音等數據文件，隨后經由高通量測序完成數據准確讀取的技術。

DNA數據存儲技術示意圖。西研院供圖

DNA具有超高存儲密度，據估算，1克DNA理論上攜帶有455EB（1EB等於約10億GB）的數據，在這樣的密度下，1公斤DNA就能儲存全球數據。

並且，存儲數據的DNA可以保存為干粉，在恆溫條件下，數據可以完好保存上萬年。

“畢昇一號”DNA活字存儲技術的當前成本約為每兆字節（MB）122美元，這一價格相較於現有的DNA存儲技術展現出顯著的成本優勢。研究團隊透露，后續研究可通過一系列技術革新來進一步降低存儲成本。

DNA存儲技術及其優勢示意圖。西研院供圖

具體而言，通過增加活字連接段數和優化反應體系，他們有信心將存儲成本削減至每兆字節僅需0.06美元。

此外，隨著編碼技術的不斷進步，例如集成高密度噴泉碼以及改進DNA活字的校驗機制，預計“畢昇一號”DNA活字存儲的成本還將持續下降。這一系列技術突破不僅預示著DNA存儲技術成本的顯著降低，更為其商業化進程的加速推進奠定了堅實基礎。

建立DNA“活字庫”

可重復靈活利用

為什麼傳統的DNA技術會如此昂貴？“DNA活字存儲”系統又為啥能大幅降低成本？

這是因為用傳統的存儲技術，相當於“雕版印刷”，隻能一次性使用，所以成本昂貴。

將數據文件存儲到DNA中，需要轉換格式。傳統的文件在電腦中都用0和1組成的編碼來代表，科學家用DNA的4種鹼基（即A、T、G、C）與電腦編碼對應，將文字、數據、圖片等“翻譯”為鹼基的組合，再通過化學合成手段，將它們“寫”入DNA中。

楊東鑫打了個比方：用傳統的DNA存儲技術來存儲今天的《重慶日報》，就需要把報紙版面上的每個字、每個標點都用化學合成方式“寫”入DNA，等於用化學合成方式重新印刷了一份《重慶日報》。

而如果要存儲昨天的《重慶日報》，就得從頭開始，把昨天的《重慶日報》全部內容進行一次化學合成，再重新“寫”進DNA。

以此類推，如果要用DNA存儲一個月的《重慶日報》，至少要重復合成28次以上，成本怎能不高？

“畢昇一號”全自動的DNA活字存儲噴墨打印機示意圖。西研院供圖

還是用存儲《重慶日報》的例子。如果使用“DNA活字存儲”，每一天的《重慶日報》的報頭、版面樣式、字體等“活字”可以重復套用，隻需要將每天不一樣的內容重新“排版”組合即可。成本大幅降低。

畢昇一號DNA活字存儲系統的工作流程示意圖。西研院供圖

“畢昇一號”打印的第一句話

來自蘇軾的作品

在西研院的實驗室，記者看到了“畢昇一號”。它約有1.4米寬，約5米長。上部是密密麻麻的白色試管，下部有一條自動傳送帶。

“這些白色試管，就是DNA‘活字’庫，相當於傳統打印機的墨盒。”楊東鑫介紹，目前“畢昇一號”的活字庫規模可達556種，打印時，這些“活字”以溶液形式存儲在數百個白色儲液管中。“畢昇一號”會通過電腦程序，自動從“活字庫”中選擇所需的“活字”。

近日，位於兩江新區的中科計算技術西部研究院，實驗人員將調配有化學試劑如同“打印紙”的微量離心管放入“畢昇一號”樣機。記者 張錦輝 攝/視覺重慶

而裝“打印紙”的，則是一個個的微量離心管。

“打印”時，微量離心管在傳送帶上自動移動，“活字”和數據寫入所需的基礎溶液（酶、載體）從相應的白色儲液管中精確注入到對應的離心管中。打印的過程實際上就是對數據寫入的過程。

近日，位於兩江新區的中科計算技術西部研究院，西研院科研人員楊東鑫正在關注DNA活字存儲噴墨打印機打印過程。記者 張錦輝 攝/視覺重慶

在前期准備就緒的情況下，一次“DNA活字打印”最短大約僅需幾分鐘即可完成“活字”的精確打印（即數據的全程自動化寫入）。打印完的“成品”DNA可長期穩定保存在冷凍冰箱中。

近日，位於兩江新區的中科計算技術西部研究院，小試管中裝的打印完成的液體“成品”DNA。可存儲文本、圖像、音頻和視頻等形式的數據。記者 張錦輝 攝/視覺重慶

近日，位於兩江新區的中科計算技術西部研究院，實驗人員將裝有打印完成的液體“成品”DNA小試探放入冰箱冷凍。記者 張錦輝 攝/視覺重慶

記者了解到，2020年，西研院正式組建團隊，參與到“DNA活字存儲”項目研發中。為紀念發明活字印刷術的畢昇，將“DNA活字打印機”命名為“畢昇一號”。

2021年4月，團隊基於“DNA活字存儲”方案進行了首次全自動DNA存儲聯調試驗，並順利完成。“畢昇一號”打印的第一句話是“明月幾時有？把酒問青天”，出自蘇軾的《水調歌頭·明月幾時有》。

至今，團隊使用“畢昇一號”，陸續實現了對文本、圖片、音頻和視頻文件的存儲與讀取，圓滿完成既定任務目標。

據悉，目前，西研院圍繞“畢昇一號”DNA活字存儲噴墨打印機已經獲得了8項發明專利和2項實用新型專利。項目團隊接下來的工作重點是完善並升級現有設備，目標在於盡快實現並推出成本更低的DNA存儲技術平台。（新重慶-重慶日報原創記者 申曉佳 張錦輝）

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