圖：DNA 磁帶

2001 年秋天，喬布斯把一臺白色小方塊從牛仔褲口袋里掏出來，笑著說：「一千首歌，裝進口袋?！筰Pod 只要一個滾輪，就憑借著數(shù)字化存儲把隨身聽改寫了；而那一刻，Walkman 還在兜里喘著粗氣 —— 要磁帶、要電池、倒帶還得借支鉛筆。

但是今天，磁帶要奪回屬于它的榮光：設(shè)想從口袋里取出一盤手掌大小的「DNA 磁帶」—— 它不是裝一千首歌，而是裝下 362 PB 數(shù)據(jù)（1 PB = 一百萬 GB）—— 大致相當(dāng)于全球互聯(lián)網(wǎng)幾分鐘的數(shù)據(jù)流，或一個頭部云數(shù)據(jù)中心接近十分之一的倉庫。尺度從「歌單」躍遷到「互聯(lián)網(wǎng)時間」，這就是南方科技大學(xué)蔣興宇教授為通訊作者、李健愷為第一作者于 2025 年 9 月在Science Advances報道的題為

「A compact cassette tape for DNA-based data storage」

首次提出了具有超高數(shù)據(jù)存儲容量的「DNA 磁帶」，讓「磁帶」這一舊日符號在 DNA 的分子尺度上重獲新生。該研究將磁帶的卷式構(gòu)型設(shè)計用在了 DNA 數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域，將負載了數(shù)字信息的 DNA 分子儲存于聚酯-尼龍條帶上，巧用條碼圖樣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了文件分區(qū)和索引，展示了一個 PB 級別的便攜 DNA 數(shù)據(jù)存儲終端。

事實上，哪怕是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)磁帶作為存儲介質(zhì)，也從未真正退出過歷史舞臺。在今天的大型數(shù)據(jù)中心里，數(shù)據(jù)磁帶依然是「冷數(shù)據(jù)存儲」的中流砥柱。所謂冷數(shù)據(jù)，是指那些必須長期留存卻極少被調(diào)用的檔案：氣象衛(wèi)星的原始觀測記錄、金融交易的監(jiān)管備份、醫(yī)學(xué)影像和基因組數(shù)據(jù)庫 …… 它們每天只占全球訪問流量的一小部分，卻在全球數(shù)據(jù)總體存儲規(guī)模中占據(jù)了近 80% 的絕大多數(shù)。在這種場景下，磁帶的「笨拙」反而成了優(yōu)勢。它不像硬盤那樣高速隨機訪問，但換來的卻是幾十年的壽命和極低的能耗。當(dāng)磁帶盒靜靜地躺在庫架上時，它幾乎不耗電，單位成本遠低于硬盤和固態(tài)盤。在需要長時間存儲且不追求快速訪問的冷數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域，先進的半導(dǎo)體存儲反而因為較短的使用壽命和更高的單位成本失去了它的優(yōu)勢。正因如此，盡管磁帶看似落伍，它在云服務(wù)商和科研機構(gòu)里仍不可或缺，全球每年新增的磁帶容量仍以千億 GB 計。

但隨著數(shù)據(jù)總量達到 ZB 級（1 ZB = 一百萬 PB），傳統(tǒng)數(shù)據(jù)磁帶的密度與壽命也正接近極限。DNA 因其獨特的分子特性，被視為潛在的理想存儲介質(zhì)，恰好在這些核心指標(biāo)上更進一步：一方面，通過設(shè)計 DNA 上 A、T、G、C 四種堿基的序列排布實現(xiàn)的分子層面的數(shù)據(jù)存儲，理論上 1 克 DNA 可存儲約 4.55 億 TB 的數(shù)據(jù)，存儲密度是磁帶的百萬倍量級，遠超現(xiàn)有材料；另一方面，它的分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在適宜條件下 DNA 可穩(wěn)定存在上千年，且不須電力維持?jǐn)?shù)據(jù)，具備跨世代的檔案保存潛力；而對于「寫一次、讀極少」的冷數(shù)據(jù)需求而言，DNA 數(shù)據(jù)較慢的讀寫速度也不再是致命的缺陷。蔣興宇團隊提出的「DNA 磁帶」，正是把磁帶的組織形式與 DNA 的分子潛能結(jié)合起來，為我們展現(xiàn)了下一代冷數(shù)據(jù)存儲的雛形。

團隊以聚酯-尼龍復(fù)合物為基底，通過噴墨打印在磁帶表面構(gòu)建條碼化的文件分區(qū)，實現(xiàn)了在標(biāo)準(zhǔn)磁帶長度上超過 54.5 萬個獨立存儲單元的精細劃分。在此基礎(chǔ)上，團隊建立了多級索引體系，通過分區(qū)條碼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了快速高效的尋址，索引速度達到每秒 1570 個分區(qū)，顯著提升了 DNA 存儲的數(shù)據(jù)檢索效率。同時，研究團隊提出 Deposit-Many-Recover-Many (DMRM) 系統(tǒng)，使 DNA 存儲器具備多次存取功能。在實驗中，研究人員將一張圖像切分后存入不同分區(qū)，經(jīng)過多輪刪除與覆蓋操作后，仍能夠完整恢復(fù)原始文件，表明 DNA 磁帶實現(xiàn)了分區(qū)上的「可編輯存儲」。

在 DNA 的長期穩(wěn)定性方面，該研究通過引入沸石咪唑酯骨架材料（Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs）實現(xiàn)了快速封裝，僅需 10 秒即可完成 DNA 的保護，10 分鐘即可解封。DNA 磁帶上的加速老化實驗結(jié)果顯示，經(jīng) ZIFs 封裝后的 DNA 在室溫條件下可穩(wěn)定保存超過 300 年，而在極端條件下理論壽命可達 2 萬年，證明 DNA 磁帶具備長期可靠的數(shù)據(jù)保存能力。除了具備數(shù)據(jù)存儲的能力，研究團隊還在 DNA 磁帶上初步展示了數(shù)據(jù) DNA 的原位合成與測序，展現(xiàn)了這兩項 DNA 數(shù)據(jù)存儲的關(guān)鍵流程集成在 DNA 磁帶上的可行性。此外，研究團隊還開發(fā)出一臺配套的自動化 DNA 磁帶機，集成馬達驅(qū)動、條碼識別與液體傳輸?shù)饶K，能夠在插入 DNA 磁帶后自動完成尋址、讀寫與重寫操作，將傳統(tǒng)需要實驗人員逐步完成的復(fù)雜流程轉(zhuǎn)化為直觀的一鍵執(zhí)行，大幅降低了 DNA 數(shù)據(jù)存儲的使用門檻。

基于以上研究背景、技術(shù)需求與方法創(chuàng)新，該工作最終展示了一個在容量、速度、靈活性與穩(wěn)定性上全面突破的 DNA 磁帶存儲器。這一成果不僅在學(xué)術(shù)上拓展了 DNA 數(shù)據(jù)存儲的研究邊界，更在工程實現(xiàn)上展示了其實用化的可能性，為 DNA 存儲的商用化提供了關(guān)鍵支撐。隨著 DNA 合成與測序成本的持續(xù)下降，這種新型的 DNA 磁帶有望在未來大規(guī)模數(shù)據(jù)管理和檔案保存中發(fā)揮重要作用，為人類應(yīng)對全球數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)開辟新的途徑。

https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.ady3406

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