DNA存储新突破！天津大学吴华明教授团队在Nature Computational Science 发表DNA信息存储新进展

摘要：随着信息技术的飞速发展，传统存储方式已经逐渐无法满足大数据时代的需求。在此背景下，DNA信息存储技术应运而生，通过利用DNA分子存储数据，已经被视为未来大规模数据存储的潜力介质。每克DNA能够存储数百艾字节的数据，并且在无需电力的情况下能够保存长达数千年。尤其

【导读】随着信息技术的飞速发展，传统存储方式已经逐渐无法满足大数据时代的需求。在此背景下，DNA信息存储技术应运而生，通过利用DNA分子存储数据，已经被视为未来大规模数据存储的潜力介质。每克DNA能够存储数百艾字节的数据，并且在无需电力的情况下能够保存长达数千年。尤其在生物医学数据领域，DNA存储的潜力尤为显著——其图片数据分辨率高、存储周期长、且相似度强，具有巨大的应用前景。

近日，天津大学应用数学中心吴华明教授团队在DNA存储领域取得新突破，在国际期刊《自然-计算科学》（Nature Computational Science |论文链接：https://www.nature.com/articles/s43588-025-00793-x）上发表了题为《DNA data storage for biomedical images using HELIX》（使用HELIX进行生物医学图像的DNA数据存储）的研究论文。该研究提出了一种全新的DNA存储系统——HELIX，专门用于存储生物医学数据，并成功实现了60MB的时空组学图像的存储与恢复。

研究团队开发的HELIX系统包含三个核心模块：图像压缩、图像纠错编码和图像复原。针对DNA存储过程中可能出现的碱基错误，HELIX对现有压缩算法进行了优化，大幅增强了系统的容错能力。同时，为了进一步提升图像解码的成功率，团队还引入了深度学习技术，在图像修复过程中显著增强了信息恢复的能力。在湿实验中，团队成功将两张60MB的时空组学图像编码为13万条、每条183个碱基的DNA序列，并通过DNA合成与测序技术，成功恢复了图像数据。实验结果表明，HELIX系统具备强大的鲁棒性，只需要约5.8倍的测序深度，即可恢复图像的绝大部分信息。

HELIX系统架构

采用DNA成功存储两张60MB的图片

该成果标志着天津大学应用数学中心团队在推动DNA信息存储技术走向实际应用方面迈出了关键一步。研究表面，针对特定数据类型量身定制的DNA存储系统，不仅在存储效率上表现卓越，还在可靠性方面展现了更大的优势，为DNA信息存储技术的广泛应用奠定了坚实的基础。该项研究由天津大学应用数学中心与合成生物技术全国重点实验室联合完成。曲冠锦博士生为第一作者，吴华明教授为通讯作者。

延伸阅读

DNA信息存储技术凭借其超高存储密度、超长保存寿命和低能耗优势，成为应对数据爆炸问题的革命性方案。其核心优点在于：

首先存储密度惊人，1克DNA可容纳215PB数据（约1000万小时高清视频），理论上一吨DNA即可存储全球现有数据总量，远超传统硬盘或磁带的容量极限；

其次保存寿命极长，在低温干燥条件下可稳定保存数千年甚至更久，例如科学家从数万年前的化石中成功提取DNA，而传统存储介质寿命仅数十年；

第三环境适应性强且低能耗，存储后无需持续供电，维护能耗仅为传统存储的万分之一，适合太空探索等极端环境。

然而，该技术仍面临显著挑战：

首先是成本高昂，当前合成2MB数据需约7000美元，读取需额外2000美元，商业化成本远超传统介质；

其次读写效率低下，化学合成速度仅0.1秒/碱基，存储一首MP3需1个月，测序速度也落后硬盘3-4个数量级；

还有错误率与复杂性，合成错误率约1-10%，测序错误率约0.1-1%，需依赖纠错编码（如里德-所罗门码）保障可靠性；

同时还有技术标准化缺失，编码规则、存储格式尚未统一，与现有信息系统兼容性不足。

尽管存在瓶颈，DNA存储已在冷数据存档（如国家档案、航天数据）、生物医学（基因组数据存储）和隐私加密领域展现出独特价值。随着酶促合成、并行写入（如北大“活字印刷”技术提升通量至27.5万比特/次）等突破，未来若能将成本降低7-8个数量级并提升速度，DNA或将成为数据存储的终极解决方案。

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