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20世纪末，好多东说念主都在斟酌行将到来的21世纪到底是信息技能的世纪，照旧生物技能的世纪。但是，当今咱们照旧越来越明晰地意志到，21世纪既是信息技能亦然生物技能的时间，更是两者的交叉结伙，这种结伙很有可能带来更多、更新的契机。

撰文 | 樊春海（中国科学院院士、上海交通大学化学化工学院院长、转机医学研究院履行院长）

交叉科学的蹙迫性

科学，可以说是“分科之学问”。东说念主类迄今获取的常识照旧星罗棋布，单凭个东说念主的才略已不可能掌持全部的科学常识。而科学被鉴别红数学、物理、化学、生物等学科。这种分科研究的步履便于东说念主们聚焦特定行业或领域，有针对性地累积大批专科常识，从而取得更深入和系统化的判辨，鼓动该学科的发展。

自然传统的分科研究鼓动了当代科学赶紧发展，但是咱们也已看到这种步履的一些固有劣势。比如过度分割可能导致学科和学科间短缺洽商，好多研究无法冲突鸿沟等。这些劣势的存在导致不同学科之间留住大批的空缺地带，这也使得科学界对交叉科学产生了极大柔和。

交叉学科需要研究者具备跳跃不同学科间壁垒的才略，而算作一种新的科研范式还可能卓越传统学科里先驱固有的先发上风。

这种特点更为我国带来了一种全新的可能性：传统赛说念上西洋是先驱，照旧建立起几百年的当先上风，我国自然在奋勉追逐，但念念要赶超还有待时日。而在传统学科的角落和交叉地带还存在全新的契机和无尽的后劲，咱们有望通过学科交叉抢先取得能够影响全寰球、全东说念主类发展的紧要冲突。因此交叉科学受到了国度和社会的凡俗柔和，学科的交叉结伙已成为科学发展的蹙迫时间特征。

信息技能（IT）与生物技能（BT）的交叉

谷歌，这祖传统的IT大企业，看似研究领域与人命科学毫无洽商，难以念念象它能够激发生物技能领域颠覆性的翻新。但这种情况却在当年的几年内变成了现实——2018年谷歌初次发布AlphaFold，欺诈东说念主工智能（AI）的力量对卵白质结构结束了估量。到2024年5月，AlphaFold照旧更新至第三版，将可估量的范围从卵白质结构彭胀到大部分人命分子。这种技能对于人命科学领域产生了绝顶真切的影响，因为卵白质等人命分子的结构可以说是扫数这个词生物技能领域的基石之一。生物体内的酶、各式抗体等功能性大分子在生物体内发扬着蹙迫的功能，因此这些分子的精确结构可以为新的结构改进或药物分子假想提供率领，加快药物的发现，寻找新的靶点和颐养步履。

在AI被引入结构生物学之前，百年间无数生物学家进行了不懈的努力，仍然唯独极少数卵白质的结构被确切研究出来。因此当初版AlphaFold推出并展示出其刚劲的实力之后，结构生物学家纷繁发出叹伤，因为他们在作念的事情似乎照旧被AI代替了，但是很快他们又从悲不雅中觉悟过来，因为这种颠覆性的冲突执行上预示着更大的契机，当今生物技能领域的科学家都驱动积极地拥抱AlphaFold，把它算作一种刚劲的器具加快我方的研究。除了AlphaFold以外，当今还有越来越多来自IT领域的技能与人命科学挂起钩来，比如AI与医学的伙同等，这些都是典型的IT-BT跨界从而产生新机遇的例子。

上文态状的是IT向BT的跨界，那么反过来BT是否也能给IT赋能呢？DNA莽撞就能作念到这一丝。

DNA的发现及蹙迫应用

DNA存在于咱们每一个东说念主的躯壳里，从执行上来讲，DNA是一个化学分子，可以被看作一种高分子。生物界在进化的经由当中，录取了这种双螺旋结构的高分子材料算作咱们遗传信息的载体。DNA双螺旋是一个迥殊精巧的结构，咱们可以将这种结构念念象成一条拉链，向右手标的拧转。好多艺术家都绝顶心爱这么一个来自人命的结构，因此咱们在好多建筑物或者雕镂中都能发现这么的元素。在DNA双螺旋结构发现50周年的时候，有东说念主把DNA的双螺旋结构和蒙娜丽莎结伙到了一皆。在艺术中，不朽的形象是蒙娜丽莎；在科学里，不朽的形象是DNA双螺旋结构。

蒙娜丽莎与DNA双螺旋结构

双螺旋结构的发现可以追念到1953年，两位伟大的科学家——沃森（Watson）和克里克（Crick）——在著名的《自然》杂志上发表了一篇论文“核酸的分子结构”。整篇论文唯惟一页纸和一张图，却开启了人命科学进入微不雅寰球的新征途——分子生物学，后续繁衍出了分子微生物学、分子神经生物学、脑科学等全新的领域。更蹙迫的是，双螺旋的发现回话了一个困扰东说念主类上万年的天问：咱们从那儿来？咱们到那儿去？这篇轻便的论告示诉咱们：DNA一共只包含四种单体，分别用A、T、C、G示意，其中A与T配对，C与G配对，“从DNA的配对的神情，咱们立时可以揣摸出遗传物资的复制机制”。这么一个纰漏的结构让咱们赫然咱们若何从父母处获取遗传信息，又若何传递到下一代。有酷爱的是沃森是一位生牺牲学家，克里克是一位物理学家，是以DNA结构的发现自己亦然跨界的家具。

沃森和克里克发现DNA双螺旋结构

经过几代科学家的广开言路，当今咱们大开任何一册分子生物学的教科书，都可以看到遗传是若何进行的。咱们体内有一种叫DNA团聚酶的卵白质，它的尺寸是头发丝的千分之一，它像一个纳米法式的复印机，把DNA双螺旋从中间分开，然后“复印”出两条跟蓝本一模相同的双螺旋链，这便是DNA的复制经由，在咱们细胞里这种复制日复一日不在进行。

DNA碱基算作信息编码字节

核酸（包括DNA和RNA）洽商研究可谓产出诺贝尔奖最多的一个领域。追忆历史，咱们可以在几十个受奖时刻见到上百位科学家的责任得益最高褒奖。从最驱动对核酸结构的判辨，到对核酸功能的判辨，再到前几年对核酸信息的调控——也便是公共耳熏目染的CRISPR基因剪辑技能。通过对该技能，咱们不仅可以了解基因的结构和功能，还可以对它里面储存的遗传信息进行绝顶精确的剪辑和调控。

这么一段绝顶精巧的科学发现历程不仅浪漫了东说念主类的好奇心，也让咱们知说念咱们从那儿来、到那儿去，并且开启了扫数这个词当代生物技能工业。举例核酸检测技能，这是一个绝顶伟大的技能，也获了诺贝尔奖，它欺诈自然进化经由中的团聚酶，像一台自然复印机相同不断地把集聚到的DNA分子一变二、二变四，最终积聚到很高的水平。因此即使一驱动样本里唯独极极少的病毒DNA，通过DNA团聚酶的复制扩增也可以结束检测。核酸检测技能可以对病毒、细菌或者办法基因进行高贤达度的检测，在医学、农牧学、生态学、刑侦等领域都有凡俗的应用。

另一个绝顶蹙迫的技能便是核酸测序。它发源于20世纪末一个绝顶伟大的大科学步地，即东说念主类基因组谈论。其时全寰球几十个国度蚁合起来，参加几十亿好意思元，阅历整整十年时期，只测了一个东说念主的基因。而今天，咱们只需要阔绰几个小时和不到1000元东说念主民币，就可以测一个东说念主的全部基因序列。若是测序的价钱能够降到100元的话，莽撞咱们的体检都可以加上这一步地。

测序技能的发展还让咱们能够测几十万年以致百万年前古生物的基因信息，匡助咱们了解古东说念主类、猛犸象等古生物。古生物DNA测序技能前几年也获取了诺贝尔奖。

DNA成为一种变革性的新材料

在微不雅层面，欺诈高分辨显微镜咱们可以看到DNA果然切结构，就像一条宽度唯独2纳米的毛线，咱们不仅可以看到它，还可以主宰它陈设出咱们念念要的字母。在宏不雅层面，特地的纺丝技能可以把DNA纺成细丝，并且它的强度比自然蛛丝的强度还要高，可以算作防弹衣和东说念主工韧带等的原材料。最早提倡把DNA算作一种材料来使用的是纽约大学的西曼（Seeman）莳植，他在1983年提倡这个新颖的念念法时还被以为是乖张和不切执行的，但是当今这照旧变成现实。

为什么DNA可以算作一种变革性材料？

咱们都知说念IT寰球的底层逻辑是0和1，而咱们人命的背后便是A、T、C、G四个字母。若是把0和1看作二进制，那么DNA便是一个四进制的编码体系，大自然中花鸟虫鱼执行上都是A、T、C、G的陈设组合。DNA算作一种亿万年进化选拔的高分子材料，领有和其他材料不同的一个特征，即可编程性，因此它的执行是一种由A、T、C、G四个字母组成的、可编码的分子信息材料。

有一种叫作“DNA折纸”的技能，就像织毛衣相同，可以按照特定的要领把DNA编制成各式万般不同的图案。最早是加州理工学院罗斯蒙德（Rothemund）博士欺诈这么的编程技能，用DNA编织了一个直径为70纳米的笑脸图案。2006年咱们团队用DNA作念了一幅中国舆图，这是一个分歧称的DNA纳米结构，也可能是最小的中国舆图之一。自后咱们又用舆图算作模块单位，拼出了一个熊猫图案。当今这个快速发展的领域咱们称为DNA纳米技能或者核酸纳米技能。疏徒然判辨，这种技能可以像织毛衣或3D打印相同，能把DNA这种信息材料编码成一维、二维、三维、多孔、曲面等各式万般的纳米法式的结构。

这些绝顶章程和精确的材料有着凡俗的应用。宏不雅寰球里最有效的材料便是框架材料，举例屋子便是由多种框架材料组成的。框架材料为什么蹙迫？我国古代的形而上学家老子给出了一个最精确的形而上学态状，便是“利”和“用”的关联。说念德经里有一句话叫作“有之以为利，无之以为用”，便是说必须有框架有空间武艺发扬作用，就像空碗武艺吃饭，空杯武艺喝水，空房武艺住东说念主，框架里面空腹的部分“无”才是能够发扬作用的部分。

本基于欺诈DNA来编织框架结构的才略，咱们率先在外洋上提倡了“框架核酸”的主意，即一类东说念主工假想的结构核酸，它的尺寸、形貌和力学性格可以要领性调控。这种渺小的框架核酸可以“住”分子，为生物分子的识别提供更好的结构撑持，从而成为疾病诊疗、合成生物学等领域的蹙迫器具。

在当年的十几年里，咱们团队和外洋上许多团队一皆在框架核酸的领域作念了好多责任，并诠释它照实是一个通用的技能平台和器具箱，可以为生物检测、疾病颐养以致微电子洽商的领域提供绝顶精确的基本器具。

DNA与IT的伙同

那么若何把DNA与IT伙同起来的呢？

让咱们用宏不雅寰球中照旧无处不在的机器东说念主算作例子。机器东说念主是一个典型的IT家具，那么微不雅寰球中是否也有雷同的机器东说念主呢？对于这个主意，咱们最早可能仅仅在科幻演义里看到过，改日可能有一种纳米机器东说念主，它可以走到咱们的细胞里，寻找到癌细胞并隐藏它们，这么不必手术就能颐养疾病。科学便是继续地把科幻变成现实的历程，科学家围绕这个看似科幻的念念法高亢了好多年，公共意志到要建造这种纳米法式的机器东说念主必须要欺诈生物技能收受分子来搭建。

起头是要创造出可以领路的分子，咱们称之为 “分子机器”。1983年法国科学家索瓦日（Sauvage）发明了两类可以自主领路的分子机器，通过有机合成的神情创造了分子的领路。随后许多科学家都在分子机器领域继续探索，举例荷兰的费林加（Feringa）莳植发明了可以领路的分子汽车。这两位莳植和好意思国的司徒塔特（Stoddart）莳植一皆获取了2016年的诺贝尔奖，以奖赏他们在分子机器领域的孝敬。

分子机器的产生使得分子冲突了布朗领路的限度，产生了定向机械领路，可以像宏不雅的机器东说念主相同走起来。

诺贝尔奖委员会高度评价了这种纳米法式的机器东说念主：“分子机器在改日的应用可以说无可限量，以致还能应用于医疗上，进入东说念主体组织建造器官，畏惧癌变细胞，更换有劣势的东说念主体基因。”

但是诺奖的颁发并不虞味着分子机器东说念主的研发画上了圆满的句号，它代表的其实是公共对技能后劲的无尽憧憬，也代表这还莫得成为现实。

这些通过有机合成东说念主为创造的分子，在体外可能运行得很好，纳米机器可以产生各式万般的功能。关联词它一朝进入细胞，情况就会皆备不同。因为细胞对于这些小分子来说是一个太过于弘大和复杂的空间，有点雷同东说念主类进入了广大的天际。

细胞里面有细胞质、细胞核和各式细胞器，要在这些位置之间穿梭就像东说念主类要在不同的星球间穿梭相同，是一个高难度的行径，需要克服高度复杂的生物环境带来的各式问题。

要完成这么复杂的动作，必须让这些机器具有智能。这照旧卓越了有机合成的才略鸿沟，于是化学家将眼神转向了分子的拼装，但愿借此冲突分子智能的限度。因为在咱们的细胞里面就有一些机器每每刻刻都在运行。比如说咱们体内与肌肉领路洽商的卵白质就在继续拼装妥协拼装，这便是一个自然的分子机器。

于是咱们前些年提倡了一个理念：能不成不依靠有机小分子从新合成，而是径直借助自然的力量，欺诈DNA或者框架核酸在细胞里的拼装妥协拼装来构筑仿生的DNA机器，从而结束细胞里的物资和能量调控。

基于这个理念咱们开启了全新的合成生物学：咱们创建了一系列由框架核酸拼装的元件，它们像3D打印相同精确；咱们诠释了可以通过分子拼装产生智能，即用框架核酸创造智能分子机器东说念主，自然看上去比拟粗拙，但却可以像家里的扫地机器东说念主相同走迷宫；咱们还从细胞外深入到了细胞内，仿造病毒这种自然纳米机器东说念主的构造和责任旨趣作念出框架核酸纳米机器东说念主。

这些责任有望鼓动生物医药产业的进一步发展。

可以像扫地机器东说念主相同走迷宫的框架核酸智能分子机器东说念主

DNA这种全新的材料与IT寰球中机器东说念主的伙同是一个新兴的领域，但照旧呈现出超卓的价值，值得持续探索。

DNA存储

DNA存储纰漏来说，便是用DNA来存储野神思的信息。这个念念法是不是听起来很荒诞？基于硅的野神思信息为什么能存到咱们碳基的性掷中去？但是一朝深入到两者的执行层面上，这一切就能得到绝顶合理的解释，因为野神思寰球执行上是0和1组成的二进制寰球，而DNA则是由A、T、C、G四种基元组成的四进制寰球。这两个进制之间皆备可以进行相互疏导。

近些年DNA存储获取了各界的凡俗柔和，举例：我国把DNA存储列入《中华东说念主民共和国国民经济和社会发展第十四个五年权略和2035年前程办法选录》和《“十四五”国度信息化权略》；好意思国的《科学》（Science）杂志提倡了改日发展的125个科学问题，其中信息科学的四大问题之一便是能否用DNA作念信息存储的介质；好意思国成就了DNA数据存储定约，微软等企业照旧参与其中；国内的一些IT公司也对这个领域绝顶感意思意思，但愿参与这个全新的变革性存储研究。

数据或者信息的存储执行与扫数这个词东说念主类斯文的发展密不可分，可以说扫数这个词东说念主类社会的斯文史便是一个信息存储和传播神情变革的历史。从原始东说念主的结绳记事，到纸张的发明，再到1980年代出现电子信息，如今又有了硬盘、U盘、云盘等新的存储介质，数据存储的问题是不是照旧都惩处了呢？

执行上并莫得，看一下全球数据的增长情况就能发现咱们进入了一个信息爆炸时间。2020年全寰球的数据是44泽字节，也便是440万亿亿字节，这些数据的保存需要消耗扫数这个词三峡大坝全年的发电量，并且数据还在继续增长，对动力的消耗将会难以为继。但是咱们再仔细分析就能发现这些数据里80%~90%都是冷数据，这些数据不像咱们手机里的信息需要快速时时地调用，相悖它们在一年以致更永劫期里都很少被使用。这些数据若是要保存需要持续地消耗动力或者财富，但若是径直丢弃又可能意味着东说念主类斯文的一种亏空，这就形成了一个逆境。

另一个逆境来自数据的传输。各式技能的发展使得当今东说念主类行径产生的数据已远超从前。举例前些年东说念主类第一次拍摄黑洞的像片，数据量高达5拍字节，要存满几千个太字节级别的硬盘，总分量达到半吨。这么的数据量照旧无法用网罗进行传输，只可回到最原始的步履，用车辆或者飞机来运载，运载的难度和用度直线飞腾。

第三个逆境是存储寿命的逆境。当今的硅基存储神情十年摆布基本都要进行一次数据的迁徙，除了形成资本飞腾以外，随之而来的还稀有据安全性和可靠性的问题。

这些逆境都对硅基存储提倡了严峻的挑战，于是公共念念到了DNA存储。执行上，早在1960年代就有科学家提倡DNA存储的设念念，1988年这个设念念得到了初次诠释。如上所述，二进制和四进制的疏导执行上并不难。对DNA存储而言，数据的写入便是DNA的合成，而数据的读出便是基因测序。

微软前几年也进入DNA存储领域并在2019年推出了全寰球第一台端到端的DNA存储原型机，使DNA存储从科学研究确切走向了产业化。国内的华为、联念念和华大基因也都绝顶柔和DNA存储。这种来自业界的高度柔和与DNA的上风是密不可分的。

经过推算，欺诈DNA这一来自人命的全新材料存储数据，可以把信息存储的物理极限进步7个数目级，相配于把1000万块硬盘的数据存到一个唯独50克砝码大小的DNA中，而全寰球的数据用200千克DNA就可以存下。这么再也不会惦念改日的数据量太大存不下了。

除了密度极高以外，DNA存储的能耗极低，寿命极长。对于硅基来说存储十年是寿命极限，DNA却可以存储千年以致百万年，表面上DNA中的信息可以长期保存。此外，DNA存储还有高安全性和抗骚动性等上风。

更蹙迫的是DNA存储的迂回游照旧获取了冲突。DNA合成早在20世纪就照旧结束，到当今照旧是一个熟识的产业，资本是按照摩尔定律下跌的。而基因测序由于东说念主类基因组谈论的鼓动，以致出现了超摩尔定律的发展，照旧从一个几十亿好意思元的天价科学步地变成一个不到1000元的熟识技能。DNA存储很可能在不久的将来就可以结束。

自然当今DNA存储的存取和读出速率还比拟慢，仅仅支吾部分冷数据的存储，但肯定在可料念念的改日，包括医疗、航空航天等领域的各式大数据都有可能变成由DNA来存储。

DNA存储是欺诈来自生物的材料履行IT的功能，因此是一个典型的IT-BT结伙领域，咱们期待它能够按照半导体科技爆发式、跳跃式、非线性的司法来发展。

就如1946年全寰球第一台野神思埃尼阿克，扫数这个词野神思极其复杂，体积和一个房间相同大；但是到1982年就照旧出现与咱们当今的野神思绝顶相似的个东说念主电脑。是以咱们期待这台微软开发的纰漏粗拙的DNA存储原型机能在不久的将来夺胎换骨，确切成为一台买卖化的开荒。咱们也在上海交通大学成就了DNA存储研究中心，但愿能引颈和促进扫数这个词行业的发展。

改日IT和BT的结伙，以及更多不同学科的交叉与结伙，可能便是新一轮科技翻新和产业变革的必由之路。

本文经授权转载自微信公众号“寰球科学”，原题目《樊春海院士论“书写DNA：信息技能与生物技能结伙迸发的无尽后劲” | 公共》，刊载于《寰球科学》杂志2025年第1期“公共·科技前沿”栏目；著述阐明笔者在上海市科学技能普及志愿者协会主理的“海上科普讲坛”上的陈诉撰写而成。

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