本文深入探讨生物计算时代中 DNA 存储与活体疗法这两大前沿领域。在 DNA 存储方面，阐述其利用 DNA 分子特性实现高密、长期存储的原理，分析如 “毕昇一号” 等技术突破，以及面临的成本、读写速度挑战与解决方向。对于活体疗法，介绍以细胞和生物分子为基础治疗疾病的方式，涵盖从细菌到哺乳动物细胞的应用，以及基因编辑、细胞编程等关键技术和伦理考量。强调两者融合对多领域的变革潜力，展现生物计算时代带来的全新开发范式与广阔前景，为相关领域研究与发展提供全面洞察。​

生物计算时代的曙光​

在科技飞速发展的当下，生物计算正逐渐崭露头角，引领我们步入一个全新的时代。生物计算，这一融合了生物学、计算机科学和信息技术的跨学科领域，正利用生物系统或生物灵感的方法来处理信息和解决计算问题，其中 DNA 存储和活体疗法成为了该领域中备受瞩目的两大发展方向，它们正为我们开启一扇通往全新开发范式的大门。​

DNA 存储：改写数据存储的规则​

超高密度存储的奥秘​

随着全球数据量呈指数级增长，传统存储介质面临着前所未有的挑战。硬盘寿命有限，数据中心能耗巨大，而 DNA 存储却展现出了令人惊叹的潜力。1 克 DNA 分子理论上能存储 215 拍字节（PB）数据，这相当于 1000 万小时高清视频，或全球年度数据总量的 1/800。其奥秘在于 DNA 的天然特性，四种碱基（A、T、C、G）通过排列组合形成 “生物代码”，这种信息密度是硅基存储的 1000 万倍。DNA 分子的双螺旋结构直径仅 2 纳米，却为信息存储提供了天然的高密度载体。​

技术突破照亮前路​

2025 年 3 月，中国科学院北京基因组研究所陈非团队研发的 “毕昇一号” DNA 活字喷墨打印机登上《先进科学》封面。该技术借鉴古代活字印刷原理，预制含 1 字节信息的短 DNA 片段（“活字块”），通过酶连接组装成数据链，解码准确率达 100%。与传统 “从头合成” 技术相比，其成本降低至 122 美元 / MB，打印效率提升 10 倍，可批量存储文本、图片、音频等文件。2024 年 10 月，北京大学张成、钱珑团队在《Nature》发表突破性成果，利用表观遗传修饰（如甲基化）存储信息。无需合成新 DNA 链，而是通过碱基甲基化（1）与未甲基化（0）表示二进制数据，如同在 “DNA 白纸” 上用化学标记 “写字”。实验中，27.5 万比特数据（含汉代瓦当、大熊猫图片）被并行写入，读取时通过纳米孔测序无损还原，单反应写入通量达 350 比特，远超传统技术的 1 比特 / 反应。​

商业化进程的加速​

微软研究院在自动化 DNA 存储方面堪称先驱。2019 年，微软与华盛顿大学实现全自动 DNA 存储系统，将 “hello” 一词编码进合成 DNA 并完整恢复。其核心突破是 “随机访问” 技术，通过引物库定位特定数据片段，避免全库测序，从 1300 万条 DNA 链中精准提取 35 个文件（200MB），错误率仅 0.0003%。该系统证明 DNA 存储可脱离人工操作，向商业化迈出关键一步。众多公司和研究机构也在积极推动 DNA 存储的商业化，形成了不同的技术路线和商业策略。如 Catalog 公司独特的 “DNA 写入器” 技术，使用预制 DNA 分子块构建序列，并与 Seagate 合作开发混合存储解决方案；Twist Bioscience 公司的硅基 DNA 合成技术，可大规模并行合成，已与 Netflix 等合作进行概念验证，并提供商业 DNA 合成服务等。​

挑战与展望​

尽管 DNA 存储前景广阔，但仍面临诸多挑战。目前 DNA 存储的合成成本需从 122 美元 / MB 降至硬盘级（约 0.0001 美元 / MB），读写速度需从 “小时级” 提升至实用水平。不过，技术迭代正在加速。2025 年天津大学 HELIX 系统已实现 60MB 生物医学图像存储，错误率低于 0.1%；预计 2030 年，DNA 冷数据中心将率先落地，为天文观测、医疗档案等 “千年数据” 提供解决方案。随着技术的不断进步，DNA 存储有望成为长期冷存储的主流技术，彻底改变数据存储的格局。​

活体疗法：开启医学治疗新篇章​

利用生命机制治疗疾病​

活体疗法是一种以细胞和生物分子为基础的治疗方式，旨在利用生物体自身的生命机制来治疗疾病。从细菌、酵母到哺乳动物细胞，都可以被改造成 “微型工厂” 或 “治疗载体”，用于生产药物、检测疾病标志物或直接修复受损组织。例如，科学家已经成功利用活细胞进行信息计算。通过在大肠杆菌中构建 NOR 逻辑门，并借助群体感应机制实现细胞间的信号传递，研究人员还首次在生物系统中实现了全套布尔逻辑运算。这为利用微生物细胞进行更复杂的治疗操作奠定了基础。​

基因编辑与细胞编程的力量​

基因编辑技术如 CRISPR - Cas 系统的出现，极大地推动了活体疗法的发展。通过精确编辑细胞内的基因，科学家可以纠正遗传缺陷、增强细胞功能或赋予细胞新的特性。同时，细胞编程技术能够将普通细胞转化为具有特定功能的细胞，如诱导多能干细胞（iPSC）技术，可以将成体细胞重新编程为干细胞，进而分化为各种类型的功能细胞，为细胞治疗提供了丰富的细胞来源。​

活体疗法的应用领域​

在癌症治疗方面，免疫细胞疗法如 CAR - T 细胞疗法已经取得了显著成效。通过改造患者自身的 T 细胞，使其表达能够识别肿瘤细胞表面抗原的嵌合抗原受体（CAR），这些经过改造的 T 细胞能够精准地攻击肿瘤细胞。在代谢性疾病治疗中，利用基因编辑技术纠正导致疾病的基因突变，或者通过细胞编程技术产生能够分泌胰岛素等关键代谢调节因子的细胞，为糖尿病等疾病的治疗带来了新的希望。在神经退行性疾病领域，活体疗法可以通过修复受损的神经细胞或促进神经再生来改善症状。​

伦理与安全性考量​

随着活体疗法的快速发展，伦理和安全性问题也日益凸显。在基因编辑方面，对人类生殖细胞进行编辑可能会引发一系列伦理争议，因为这可能会改变人类的遗传基因库。在细胞治疗过程中，细胞的来源、制备过程以及移植后的安全性都需要严格把控，以避免免疫排斥反应、细胞癌变等风险。因此，建立完善的伦理准则和安全监管体系对于活体疗法的健康发展至关重要。​

DNA 存储与活体疗法的融合​

数据驱动的精准医疗​

DNA 存储技术的发展为活体疗法提供了强大的数据支持。通过将患者的基因信息、疾病数据以及治疗过程中的监测数据存储在 DNA 中，可以实现数据的长期、稳定保存。这些丰富的数据可以帮助医生更精准地制定治疗方案，实现个性化医疗。例如，通过分析患者的基因数据，医生可以预测患者对某种活体疗法的反应，提前调整治疗策略，提高治疗效果。​

生物计算与活体疗法的协同​

生物计算不仅在 DNA 存储方面发挥着重要作用，也为活体疗法中的细胞编程、基因编辑等技术提供了计算支持。利用生物计算算法，可以更准确地设计基因编辑策略，预测细胞编程的结果，优化活体疗法的治疗方案。同时，DNA 存储和活体疗法的融合还可能催生新的治疗模式，如利用存储在 DNA 中的治疗指令，在体内实现对细胞治疗过程的精确控制。​

跨领域创新的无限可能​

DNA 存储与活体疗法的融合将吸引来自生物学、计算机科学、医学等多个领域的专家共同参与，促进跨领域创新。这种创新可能会带来新的生物材料、新的治疗技术以及新的医疗设备。例如，结合 DNA 存储和纳米技术，可能会开发出能够在体内精准释放药物的纳米载体；利用生物计算和活体疗法，或许可以构建出能够实时监测和治疗疾病的智能生物系统。​

总结与展望​

生物计算时代的 DNA 存储和活体疗法正展现出巨大的潜力，它们各自在数据存储和医学治疗领域引发了革命性的变革，而两者的融合更是为未来的科技发展带来了无限可能。从解决全球数据存储难题到攻克各种疑难病症，生物计算正以其独特的优势为人类社会的进步贡献力量。然而，我们也必须清醒地认识到，这两个领域的发展还面临着诸多挑战，如 DNA 存储的成本和速度问题，活体疗法的伦理和安全问题等。但随着技术的不断进步和跨领域合作的深入开展，我们有理由相信，这些挑战将逐步被克服。在未来，生物计算时代的 DNA 存储和活体疗法有望重塑我们的生活，为人类创造更加美好的未来。无论是在保存人类文明的珍贵数据方面，还是在守护人类健康的医学战场，它们都将发挥不可替代的重要作用，成为推动人类社会发展的重要引擎。