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  隨著全球數(shù)據(jù)量的爆炸式增長，傳統(tǒng)的光學(xué)和磁存儲技術(shù)已難以滿足長期歸檔存儲的需求。DNA作為天然的信息載體，因其高密度、長期穩(wěn)定性和易于復(fù)制的特性，被視為下一代數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)。然而，如何在保持高存儲密度的同時實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的隨機數(shù)據(jù)訪問，一直是該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。

  近日，天津大學(xué)宋東坡教授團隊與天津大學(xué)化工學(xué)院齊浩教授、北京大學(xué)張成教授和錢瓏教授等單位的科研人員合作，提出了一種創(chuàng)新的解決方案。他們利用帶電荷的瓶刷嵌段共聚物（BBCP）作為穩(wěn)定劑，通過一步自組裝法制備了具有有序多孔結(jié)構(gòu)的光子微球，成功將DNA隨機數(shù)據(jù)存儲的物理密度提升至22.6 EB/g，相當(dāng)于2-3個微軟的大型數(shù)據(jù)中心，遠(yuǎn)超現(xiàn)有隨機訪問存儲技術(shù)的性能。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際知名期刊Science Advances。

技術(shù)突破：光子微球作為DNA序列索引

  傳統(tǒng)DNA數(shù)據(jù)存儲的隨機訪問通常需要額外的非編碼引物DNA作為索引，這不僅降低了物理數(shù)據(jù)密度，還可能在多次數(shù)據(jù)檢索后因擴增偏差導(dǎo)致信息丟失。為解決這一問題，研究團隊提出了一種全新的策略：將不同數(shù)據(jù)編碼的DNA文件加載到具有獨特光子帶隙和粒徑的多孔光子微球中，利用這兩種特征作為二維尋址索引。通過光學(xué)顯微鏡-光譜儀聯(lián)用系統(tǒng)，同時識別微球的反射波長和尺寸，從而實現(xiàn)目標(biāo)DNA文件的物理分離和檢索。

圖1. 利用光子帶隙和微球尺寸作為隨機訪問索引的DNA數(shù)據(jù)存儲策略示意圖

高密度存儲與高效檢索

  研究團隊通過靜電相互作用將帶負(fù)電荷的DNA高效富集于光子微球內(nèi)部的正電荷多孔表面，實現(xiàn)了高達(dá)8.8 wt%的DNA負(fù)載量（圖2）。實驗表明，單個微球可容納至少5.2 × 101?條DNA鏈，足以通過PCR擴增和測序完成數(shù)據(jù)檢索。此外，團隊還開發(fā)了弱堿性緩沖液釋放技術(shù)，可在20分鐘內(nèi)完成90%的DNA釋放，顯著提升了數(shù)據(jù)檢索效率。

圖2. DNA在光子微球中的高效負(fù)載與釋放過程

應(yīng)用驗證：古籍《荀子》的存儲與檢索

  為驗證該技術(shù)的實用性，研究團隊將中國古代經(jīng)典《荀子》的32章文本（共357 kb）和目錄圖像編碼為2850條DNA鏈，并分別加載到32種不同光子帶隙和尺寸的微球中（圖3）。通過二維索引，團隊成功實現(xiàn)了目標(biāo)文件的快速分離與檢索，交叉污染率低至0.05 × 10??至0.45 × 10??，展示了該技術(shù)的高精度與可靠性。該光子索引平臺可結(jié)合多種封裝方法，實驗顯示封裝DNA在紫外、甲醇及核酸酶等苛刻環(huán)境下穩(wěn)定性顯著提升，證明其適用于DNA長期穩(wěn)定隨機訪問存儲系統(tǒng)。

圖3. 基于光子微球的隨機訪問存儲系統(tǒng)及其在古籍?dāng)?shù)據(jù)存儲中的應(yīng)用

產(chǎn)業(yè)化前景

  該技術(shù)采用可擴展的自組裝方法制備光子微球，結(jié)合團隊此前報道的瓶刷嵌段共聚物公斤級連續(xù)流合成技術(shù)(Song et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202421315)，為DNA數(shù)據(jù)存儲的大規(guī)模應(yīng)用提供了可行方案。未來，通過集成圖像分析和微流控分選技術(shù)，該技術(shù)有望實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)檢索，進(jìn)一步推動其在數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療檔案等領(lǐng)域的應(yīng)用。

  博士研究生劉秋君是該論文的第一作者，宋東坡教授為通訊作者。該項工作得到國家重點研發(fā)計劃（No. 2024YFF1206200、2021YFF1200100）的資助。

  論文信息： Photonic Microspheres for High-Capacity DNA Data Storage: Robust, Straightforward and Scalable Random Access via Non-Fading Indexes

  Liu, Qiu-Jun; Liu, Qian; Zhang, Jie; Zhang, Cheng; Qian, Long; Qi, Hao; Li, Yuesheng; Song, Dong-Po*

  Science Advances 2025, DOI: 10.1126/sciadv.adw2613 

  論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw2613