可编程层级核壳DNA凝聚体：信息存储与加密的新范式

《Nature Communications》：Hierarchical core–shell DNA condensates enable programmable information storage and encryption

本刊推荐：为解决DNA信息存储系统在动态可操作性和安全加密方面的技术瓶颈，研究人员开展了基于层级核壳DNA凝聚体的可编程信息存储与加密平台研究。该平台通过空间分区荧光编码实现27种信息状态（3色系统），并整合光控擦除、分子计算电路等模块，成功演示了信息写入/擦除/重写、逻辑门加密、活细胞触发解密等高级功能，为高安全性分子信息系统提供了创新解决方案。

　　

在数字时代爆发式增长的数据洪流中，传统信息存储技术正面临存储密度与能耗的物理极限挑战。而DNA分子以其天然优势——理论存储密度高达8×10¹³比特/立方毫米、半衰期可达数百年、能耗极低——成为最具潜力的下一代存储介质。然而，当前主流的DNA序列编码技术存在本质局限：信息一旦写入便难以动态修改，更无法实现复杂加密功能。这就像打造了一把无法更换钥匙的密码锁，严重限制了其在需要实时更新和高级安全防护场景的应用前景。

近日发表于《Nature Communications》的研究突破性地构建了基于层级核壳DNA凝聚体的可编程信息处理平台。该平台通过温度梯度驱动的液体-液体相分离技术，使两种单链DNA多嵌段共聚物p(A₂₀-m)和p(T₂₀-n)自组装形成微米级核壳结构。其创新性在于将荧光标记的互补DNA链精准锚定在核区(m)与壳层(n)，利用三色荧光系统（FAM、Cy3、Cy5）在空间分布的排列组合，实现27种编码状态（3³），足以完整编码英文字母表。研究人员更通过光敏PC-linker（光裂解连接基团）和DNA链置换反应，赋予系统动态可重构能力。

关键技术方法包括：①滚环扩增技术合成DNA多嵌段共聚物；②温度梯度控制核壳凝聚体自组装；③共聚焦显微镜空间荧光解码；④光控/酶控（RNase H）分子开关；⑤核酸适体（Sgc8c）介导的细胞信号识别。实验使用CCRF-CEM（人源急性淋巴细胞白血病细胞系）和Ramos（人源B淋巴细胞瘤细胞系）验证生物触发解密功能。

信息编码与动态操作

研究团队成功将莎士比亚名句“TO BE OR NOT TO BE, THAT IS THE QUESTION”编码至384孔板中的DNA凝聚体阵列，并通过共聚焦显微镜实现精准解码。更引人注目的是，系统支持信息擦除与重写：紫外线照射可裂解PC-linker，清除原有荧光信号，随后引入新编码链即可实现信息更新。实验演示了“NOV→AUG→FEB”的月份信息多轮重写，解码准确率始终保持在100%。

信息复制与修复机制

针对高温导致的凝聚体结构损伤，团队开发了“擦除-扩散”修复策略：通过设计通用DNA链X和Y，将受损凝聚体中保存完整的编码链转移至空白载体，使“HELLO”信息的解码准确率从破坏后的0%恢复至99%。系统在冻融循环、脱水等极端条件下仍保持94%以上的解码稳定性，展现卓越鲁棒性。

可编程加密系统

加密功能实现四大突破：①逻辑门加密——AND逻辑门要求紫外线与特定核酸链双密钥同时输入才显示真实信息“NO”，单密钥仅显示诱饵信息“YES”；②活细胞驱动解密——核酸适体Sgc8c识别CEM细胞表面PTK7（蛋白酪氨酸激酶7） biomarker后释放解密密钥；③时间动态加密——RNase H调控实现瞬态多读加密（密钥可重复使用）与自毁加密（单次读取后永久失效）；④精细权限控制——分级密钥设计使低级用户仅能解密“CELL”，高级用户可逐级解锁“B”与“MEMORY”信息。

这项研究通过分子编程与动态纳米技术的深度融合，突破了传统DNA信息系统的静态局限。其模块化设计支持存储密度升级（结合微流控技术可达7.93×10⁹比特/立方毫米），为合成生物学、生物计算及高安全通信等领域提供了可扩展的分子平台。正如论文通讯作者Da Han和Lei He所述，该工作不仅拓展了DNA材料的应用边界，更标志着分子信息系统向智能化、多功能化演进的重要里程碑。