从结绳记事、仓颉造字到磁带、硬盘等现代磁光电存储技术，人类文明的发展与存储技术密切相关。随着科学技术的进步，数据存储方式不断迭代创新。中国科学院院士、天津大学元英进教授团队一直致力于研究下一代存储技术——DNA存储。
DNA存储的敦煌壁画
“据国际数据公司估计，到2025年全球数据总量将达到惊人的175 ZB（1 ZB ≈ 10的21次方字节）。全世界都在建数据中心，数据中心的能耗是惊人的。DNA存储由于其高存储密度与低能耗处理等特点，被视为一种极具潜力的存储技术，成为应对数据存储增长挑战的新机遇。“元英进院士介绍说。
2021年8月，元英进教授团队取得DNA存储的重大突破。该工作及后续研究内容先后发表于《National Science Review（国家科学评论）》和《SCIENCE CHINA-Life Sciences（中国科学-生命科学）》。
DNA存储技术概念图
DNA存储高效低耗，但作为一种链式生物大分子，在体外常温保存时会面临DNA断裂降解等风险，严重影响信息存储的长期可靠性，是亟待解决的关键科学问题。对此，元英进团队设计了基于德布莱英图理论的序列重建算法来解决DNA断裂等问题。该算法结合贪婪路径搜索和循环冗余校验码来实现断裂DNA片段的高效从头组装，从原理上支持了DNA存储的长期可靠性。
基于德布莱英图图论设计的序列重建算法高效解决DNA断裂、降解问题
结合该序列重建算法（内码）与喷泉码算法（外码），团队设计编码了6.8 MB敦煌壁画，合成了承载图片信息的DNA片段21万条。为数据的长期可靠性，团队制备了一个没有任何特殊保护的DNA水溶液样本，并在70°C下加速样本断裂、降解长达十周。处理后的DNA片段80%以上都发生了断裂错误，依靠设计的序列重建算法依然可以准确组装并解码96.4%以上的片段，再通过喷泉码解决少量片段丢失的问题，原始的敦煌壁画图片依然能够完美恢复。根据理论推算，这种程度的高温破坏相当于实验室常温25°C一千年或者9.4°C长达两万年的自然保存。
据介绍，这是继基于人工合成染色体的酵母体内信息存储模式取得突破后，天津大学合成生物学团队在DNA信息体外存储模式上又取得的重要突破。
栏目主编：张武 文字编辑：宋慧 题图来源：图虫 图片编辑：徐佳敏