科学家首创无酶可重写DNA硬盘，实现DNA存储重大突破

全球数据量正以惊人速度爆炸式增长，无论是传统硬盘、磁带，还是云存储中心，都面临着能耗高企、容量瓶颈和安全隐患等问题。为突破存储瓶颈，科学家们将目光投向大自然中最精密的信息载体：DNA。

作为地球上最紧凑、最持久的信息载体，DNA 在理论上能将全球所有数据装进一个鞋盒大小的空间里，稳定保存数千年，且复制成本极低。但长期以来，DNA 存储存在一个致命短板：数据一旦被“写入（合成）”，就变成了永久性的“只读”文件，无法修改或擦除。

直到近日，美国密苏里大学（University of Missouri）的研究团队在《美国科学院院刊-连结》（PNAS Nexus）上发表了一项突破性研究，有望彻底改变这一局面。他们成功摆脱了昂贵的 DNA 从头合成与酶促反应的限制，开发出全球首个无合成、无酶、可反复重写的 DNA 记忆系统，让 DNA 从“一次性胶片”升级为可反复擦写的“分子硬盘”。

（来源：PNAS Nexus）

DNA 存储的优势与“只读”痛点

在传统的硅基计算机中，信息以“0”和“1”的二进制形式存储，DNA 数据存储则更进一步，将这些二进制位转换为构成 DNA 的四种化学碱基字母：A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）和 T（胸腺嘧啶），，通过机器合成特定 DNA 链实现写入。

与运行庞大且耗电量惊人的数据中心相比，DNA 存储的优势显而易见：它是三维空间存储，而非平面芯片，因此可实现极致的存储密度；在保持干燥和低温的条件下，DNA 可以稳定保存数千年；此外，DNA 存储的数据维护几乎不需要消耗电力，能耗极低。

现有 DNA 存储需要将照片或视频的数据序列，通过极其昂贵的机器“从头合成（de novo synthesis）”出全新的 DNA 链。这种依赖酶促反应的合成过程不仅成本高昂、操作复杂，而且数据一旦写入，便无法更新或重复使用，这极大限制了其在日常高频读写场景中的应用。

（来源：密苏里大学）

核心突破：无需合成的“移码编码”与可重写机制

该研究的通讯作者、密苏里大学工程学院化学与生物医学工程教授顾立群指出：“DNA 是生命蓝图的绝佳载体，我们的目标是让它在分子层面实现更快、更简单、更高效的读写重写。”

为了让 DNA 存储可发挥现代硬盘般的作用，密苏里大学的研究人员开发出了一套无需从头合成、无需酶促反应的全新 DNA 记忆系统。其核心创新在于移码编码（Frameshift Encoding）的写入方式，使用纳米孔中断解码（Nanopore Duplex Interruption Decoding）进行精准读取，以及最为关键的，通过立足点介导的链置换（Toehold-Mediated Strand Displacement）：技术实现定点擦写。

首先是移码编码技术，研究团队的灵感来源于病毒的核糖体移码现象。他们摒弃了传统的“合成新 DNA 链”的做法，采用了一条通用长 DNA 单链作为“模板”，并在模板的预定位置上退火结合不同长度的“微型短链”，以此来代表不同的数据位，编码二进制信息。

就像搭积木一样，整个过程无需合成新 DNA 链、无需酶催化、无需任何标记，直接实现了快速、低成本且并行的信息写入。

（来源：PNAS Nexus）

在数据读取阶段，研究团队使用了一种紧凑的分子级探测器——MspA 纳米孔传感器。当带有微型短链的 DNA 长模板穿过这个极小的纳米孔时，双链结构会被物理“解开”。

在解开的过程中，DNA 会引产生独特的电流阻断信号。研究人员发现了一种新型的解链标记，利用移码引起的电流特征，让软件能够精确解析出每一个数据位，从而实现高精度读取。

最后是让 DNA 变成“可重写硬盘”的关键机制。由于数据是通过模板上的短双链结构来编码的，研究人员利用立足点介导的链置换这一生化反应，可极其高效且精准地将特定的微型短链“剥离”，替换为新的短链。这就意味着，用户可以像在电脑上修改文档一样，针对特定比特进行定向擦除和重写。这一机制让 DNA 真正具备了“硬盘级”可重写能力。

（来源：PNAS Nexus）

超高安全性与未来图景：拇指大小的“分子 U 盘”

除了高容量和可重写性，这种物理层面的分子存储还带来了可靠的安全属性。因为 DNA 是一个离线的物理实体，无需像电子系统那样时刻连接网络，天然具备极高的网络安全防护能力，可完全避免黑客的远程攻击，非常适合用于保护个人记忆、核心机密文件、科学数据以及企业档案。顾立群教授将其形象地比作数字生活的“超级安全保险箱”。

图 | Andrew Gu（来源：密苏里大学）

这项涵盖了物理学、生物学、数据科学和材料科学的跨学科研究，在概念上证明了 DNA 作为高级信息技术媒介的潜力，还规划了清晰的未来路线图。

长远来看，研究团队正在开发配套的紧凑型电子设备，希望将这种基于纳米孔的读取工具缩小到一个 U 盘的大小。根据论文展望，这种可重写的 DNA 存储框架不仅能替代现有的高能耗存储技术，未来还有望跨界应用于内存计算、安全数据加密与解密，以及动态生物分子传感等前沿领域。

伴随着这项技术的不断优化，或许在不久的将来，把全世界的数据装进口袋将成为我们日常生活的一部分。

参考内容：

https://showme.missouri.edu/2026/mizzou-researchers-developing-a-rewritable-dna-hard-drive/

https://techxplore.com/news/2026-03-rewritable-dna-hard-storage-crisis.html

https://academic.oup.com/pnasnexus/article/4/9/pgaf233/8248423

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