隨著全球數據量的爆炸式增長，傳統的光學和磁存儲技術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、長期穩定性和易于復制的特性，被視為下一代數據存儲介質。然而，如何在保持高存儲密度的同時實現穩定、高效的隨機數據訪問，一直是該領域的核心挑戰。
近日，天津大學宋東坡教授團隊與天津大學化工學院齊浩教授、北京大學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）作為穩定劑，通過一步自組裝法制備了具有有序多孔結構的光子微球，成功將DNA隨機數據存儲的物理密度提升至22.6 EB/g，相當于2-3個微軟的大型數據中心，遠超現有隨機訪問存儲技術的性能。相關研究成果發表于國際知名期刊Science Advances。
技術突破：光子微球作為DNA序列索引
傳統DNA數據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據密度，還可能在多次數據檢索后因擴增偏差導致信息丟失。為解決這一問題，研究團隊提出了一種全新的策略：將不同數據編碼的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。通過光學顯微鏡-光譜儀聯用系統，同時識別微球的反射波長和尺寸，從而實現目標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數據存儲策略示意圖
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電荷的DNA高效富集于光子微球內部的正電荷多孔表面，實現了高達8.8 wt%的DNA負載量（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擴增和測序完成數據檢索。此外，團隊還開發了弱堿性緩沖液釋放技術，可在20分鐘內完成90%的DNA釋放，顯著提升了數據檢索效率。
圖2. DNA在光子微球中的高效負載與釋放過程
應用驗證：古籍《荀子》的存儲與檢索
為驗證該技術的實用性，研究團隊將中國古代經典《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，團隊成功實現了目標文件的快速分離與檢索，交叉污染率低至0.05 × 10??至0.45 × 10??，展示了該技術的高精度與可靠性。該光子索引平臺可結合多種封裝方法，實驗顯示封裝DNA在紫外、甲醇及核酸酶等苛刻環境下穩定性顯著提升，證明其適用于DNA長期穩定隨機訪問存儲系統。
圖3. 基于光子微球的隨機訪問存儲系統及其在古籍數據存儲中的應用
產業化前景
該技術采用可擴展的自組裝方法制備光子微球，結合團隊此前報道的瓶刷嵌段共聚物公斤級連續流合成技術(Song et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202421315)，為DNA數據存儲的大規模應用提供了可行方案。未來，通過集成圖像分析和微流控分選技術，該技術有望實現自動化數據檢索，進一步推動其在數據中心、醫療檔案等領域的應用。
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
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