在数据存储领域，DNA存储技术因具有高信息密度、长保存寿命和低能耗保存潜力而受到广泛关注。近期，清华大学机械系熊卓教授团队在前期“细菌彩珠硬盘”工作的基础上，进一步开发了“活体可再生DNA硬盘存储系统”（regenerative Living Disk–Drive system）。该系统由存储介质（Living Disk）、检索模块（Optical Retriever）和处理模块（Living Drive）三个功能子系统构成，并以工程化活体存储微球（engineered living memory microspheroid, ELMM）作为标准化文件单元，实现了物理操作接口与信息存储接口的统一。基于这一系统，研究团队提出并建立了区别于传统DNA存储“读取即消耗”模式的“检索—再生—使用及补库”新范式，为实现DNA信息的长期保存、随机检索、低损读取、信息改写和自动化循环复用提供了新的工程路径。

图1 活体可再生DNA硬盘存储系统组成

DNA存储通常包括数据编码、DNA合成、存储、检索、测序和解码等步骤。过去十余年中，研究人员已在编码算法、DNA合成、测序读取和分子封装等方面取得重要进展，证明了DNA作为信息介质的可行性。然而，要使DNA存储进一步发展为可部署、可重复访问、可长期运行的信息系统，仅有分子层面的存储能力和单元层面的文件封装仍然不够，还需要建立能够统筹存储、检索、读取、再生和改写等环节的系统架构。

在前期研究中，熊卓课题组将携带DNA信息的工程菌封装于微球中，构建了可通过荧光标签分选、可冻干保存的文件级活体存储单元——工程化活体存储微球（Engineered Living Memory Microspheroids，简称ELMM）。本研究在此基础上进一步实现了从“文件单元”到“系统平台”的拓展，提出、设计并验证了一种“活体硬盘式”DNA存储系统架构，并建立了区别于传统DNA存储“读取即消耗”模式的“检索—再生—使用及补库”新范式。

在存储介质（Living Disk）中，ELMM以冻干凝胶微球形式长期保存，微球内部封装有携带DNA信息的工程菌；在检索模块（Optical Retriever）中，ELMM依靠细胞内荧光蛋白形成的物理索引实现目标文件分选；在处理模块（Living Drive）中，ELMM经温敏释放、细菌扩增和微流控再封装，实现读取后信息载体的再生与数据库补库。同时，ELMM还预留了CRISPR–Cas12a/λ-Red介导的信息改写接口，可实现信息载荷、荧光索引和筛选标记的同步替换。上述设计使ELMM能够在冻干保存、复水检索、温敏释放、细菌扩增和再封装之间进行可逆状态转换，从而推动DNA存储由静态归档介质向可操作、可再生、可循环复用的动态信息存储架构发展，为未来低能耗、可循环复用、可长期运行的活体信息存储系统提供了新的思路。

相关研究成果以“温敏活体微球驱动的活体可再生DNA硬盘存储系统”（Thermo-responsive living microspheroids enable a regenerative Living Disk–Drive system for DNA data storage）为题，于6月23日在线发表于《先进材料》（Advanced Materials）。

清华大学机械系熊卓教授为论文通讯作者，清华大学机械系2021级博士生骆浩为论文第一作者。清华大学生命学院本科生高静凯、机械系本科生黄想响、机械系助理教授方永聪、生命学院本科生黄天羽、机械系2024级博士生夏英凯、机械系本科生于择洋及机械系本科生曹宸豪共同参与了该项研究。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.73806