DNA存儲(chǔ)是一種以生物大分子DNA作為信息載體的一種新的存儲(chǔ)技術(shù)。與傳統(tǒng)的電子信息存儲(chǔ)相比,DNA存儲(chǔ)具有容量大、密度高、低能耗等優(yōu)點(diǎn)。隨著DNA合成、測序技術(shù)的發(fā)展以及大數(shù)據(jù)時(shí)代對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求的指數(shù)增長,近年來DNA存儲(chǔ)在存儲(chǔ)容量、密度以及可靠性等方面都取得了巨大的進(jìn)展。該文主要介紹了DNA存儲(chǔ)的發(fā)展歷史、DNA存儲(chǔ)的基本流程、DNA存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫、文檔存儲(chǔ)以及體內(nèi)存儲(chǔ)的研究進(jìn)展。最后,總結(jié)了DNA存儲(chǔ)未來面臨的挑戰(zhàn)以及發(fā)展方向。 

【文章來源】：電子與信息學(xué)報(bào). 2020,42(06)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

DNA存儲(chǔ)的主要流程

圖2 檢索鏈和信息存貯鏈?zhǔn)疽鈭DDNA序列一般由數(shù)據(jù)區(qū)、索引編碼區(qū)以及兩端的擴(kuò)增引物區(qū)組成。DNA存儲(chǔ)的“寫”(即合成)、“讀”(即測序)過程往往容易產(chǎn)生核酸堿基的替換(substitutions)、插入(insertions)和刪除(deletions)。此外，在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及檢索過程的PCR擴(kuò)增過程中，也可能產(chǎn)生擴(kuò)增不平衡導(dǎo)致信息丟失現(xiàn)象。因此，編碼技術(shù)對于DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及效率至關(guān)重要。已有的各種存儲(chǔ)研究都采用序列隨機(jī)化、糾錯(cuò)碼以及信息冗余等技術(shù)來降低“讀”、“寫”、“存”過程的錯(cuò)誤影響。隨著存儲(chǔ)容量的增大，構(gòu)建DNA存儲(chǔ)系統(tǒng)所需的碼字(codeword)也隨之增大。Lenz等人[32]研究了DNA編碼數(shù)量的上下限問題。Anavy等人[31]提出了DNA組合碼的編碼方法降低編碼的冗余性。最近，Benner率領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)[13]人工合成了另外4種核苷酸，突破性地創(chuàng)造出具有8個(gè)字母的DNA分子。堿基數(shù)的增加將進(jìn)一步增加DNA編碼的靈活性、魯棒性以及編碼空間。

首先，從大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的角度，目前的合成及測序成本還太高，特別是合成的費(fèi)用大約是測序的4個(gè)數(shù)量級。從存儲(chǔ)的角度長序列片段的存儲(chǔ)效率更高，但是目前合成序列長度一般為100～300堿基，超過此長度的合成成本將急劇增加，同時(shí)合成和測序的錯(cuò)誤率也會(huì)隨之增加。因此，合成和測序技術(shù)的進(jìn)步是DNA存儲(chǔ)走向?qū)嶋H應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。其次，從DNA存儲(chǔ)信道模型的角度，編碼理論及方法是DNA存儲(chǔ)的核心理論問題，高效魯棒的編碼將有望克服目前DNA存儲(chǔ)合成、PCR擴(kuò)增及測序技術(shù)的不足，而且可能降低存儲(chǔ)的費(fèi)用。目前的編碼基本的流程是將加入糾錯(cuò)冗余信息的二進(jìn)制字符串直接翻譯為DNA序列，這一編碼方式將是基于二進(jìn)制流的糾錯(cuò)，如何結(jié)合DNA生化特性，直接研究基于DNA信息流上的組合DNA編碼理論將有望解決DNA存儲(chǔ)信息到的高可信信息存儲(chǔ)問題。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]音視頻文件的DNA信息存儲(chǔ)[J]. 陳為剛,黃剛,李炳志,尹燁,元英進(jìn).  中國科學(xué):生命科學(xué). 2020(01)
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本文編號：3329057