研究人员在实现一种能够生长 DNA 链的新型微芯片的目标上取得了重大进展，这种芯片可以以超低成本提供高密度 3D 档案数据存储，并且能够将这些信息保存数百年。为了启用这项技术，研究人员还开发了一种校正系统，能够补偿读取存储在 DNA 中的数据时出现的错误。

DNA 数据存储使用构成生物 DNA 的四种碱基——腺嘌呤 (A)、胸腺嘧啶 (T)、鸟嘌呤 (G) 和胞嘧啶 (C)——以类似于传统计算中的零和一的方式存储数据. 当前的 DNA 存储主要限于精品应用程序，例如时间胶囊，但人们对 DNA 作为下一个海量数据存档的主要存储介质有着广泛的兴趣。

佐治亚理工学院的研究人员开发了一种用于生长 DNA 链的微芯片，可以以超低成本提供高密度 3D 档案数据存储。DNA 生长的微孔有几百纳米深，可以反射照片中特定颜色的光。（图片：Sean McNeil，佐治亚理工学院）

微芯片工作是可扩展分子档案软件和硬件 (SMASH) 项目的一部分，该项目由佐治亚理工学院 (GTRI) 领导，旨在开发基于 DNA 的可扩展读/写存储技术。该项目由智能高级研究项目活动 (IARPA) 分子信息存储 (MIST) 计划支持，可以帮助满足对档案存储不断增长的需求，为当前的磁带和硬盘驱动器系统提供具有成本效益的替代方案。

概念验证纳米制造的微芯片包括几百纳米深的微小微孔结构，DNA 链在其中以大规模并行过程生长。这些芯片最终将包括第二层电子控制——用传统的 CMOS 制造——将管理化学过程，因为一个独特的 DNA 分子在每个孔中生长，一次一个碱基。一旦完成存储数据的碱基序列，DNA 链将从表面剥离并干燥以进行长期存储。

由于每个存储信息的碱基都由少量原子组成，因此该技术将允许数百 TB 的信息（现在需要许多传统磁盘驱动器）存储在单个 DNA 点中。GTRI 正在与加利福尼亚生物技术公司 Twist Bioscience 和 Roswell Biotechnologies 合作，以展示这种新型商业上可行的数据存储，最终可以扩展到 EB 级别。

GTRI 高级研究科学家 Nicholas Guise 说，我们已经能够证明，可以将 DNA 生长到我们想要的长度，以及我们关心使用这些芯片的特征尺寸。 我们的目标是从这些微孔的芯片中培养数百万个独特的独立序列，每个序列都充当一个微型电化学生物反应器。

当前的原型芯片约为一平方英寸，包括 10 组 DNA 微孔。与我们在 Twist 和佐治亚理工学院电子和纳米技术研究所的同事合作，我们优化了微孔的几何形状，以便在芯片上安装越来越多的微孔。

DNA 芯片将用于长期的档案数据存储，其中信息很少被访问——但必须长期保持可用。此类数据目前保存在磁带存储器中，随着介质老化，必须定期更换新磁带。在 DNA 中存储和检索数据将非常耗时，但媒体实际上将永远存在，并且可以使用用于医疗诊断的标准 DNA 测序技术进行检索。

Guise 说，只要保持足够低的温度，数据就能存活数千年，因此拥有成本几乎降为零。在开始时只写一次 DNA，然后在最后读取 DNA，只需花费很多钱。如果我们能让这项技术的成本与磁写入数据的成本相竞争，那么在 DNA 中存储和维护信息多年的成本应该会更低。

将数据存储在 DNA 中的缺点之一是更高的错误率——远高于计算机工程师对传统硬盘驱动器存储的容忍度。GTRI 研究人员与华盛顿大学合作，设计了一种将信息编码到 DNA（“编解码器”）中的方法，旨在识别和纠正错误并保护存储在 DNA 中的数据。

参与 SMASH 项目的 GTRI 高级研究科学家 Adam Meier 表示，我们正在使用一系列新技术，这些新技术的错误率比过去的存储技术更高。我们的目标是让这个编解码器具有超强的抗错误能力，能够与读取多达 10% 的碱基错误的设备一起使用。

纠错减轻了项目硬件方面的负担，纠错方案是可调的，允许团队尝试不同的化学方法和 DNA 长度。在测试他们的工作时，该团队在对 DNA 中存储的数据进行测序方面得到了佐治亚理工学院分子进化核心和 GTRI 高级概念实验室的支持。

Guise 说，这在操作上的作用是让我们有可能提高合成器和音序器的速度和吞吐量。如果您可以通过弹性编解码器容忍一些错误，您就可以更快地写入更多数据并读取更多数据。

研究人员已经展示了将图像文件写入 DNA，然后在公司合作伙伴 Twist 的帮助下将其读取出来。Meier 预计错误率会随着技术的进步而下降，尽管他说纠错将始终是数据读取操作的一部分。

他说，我们期望最终纠错码会更轻量级。它最终对最终设计的影响较小，当错误率更好时，编解码器将变得不那么重要。这是我们对该计划未来阶段的研究的一部分。