12月10日，《Nature Communications》在線發表了一項DNA存儲領域的研究，題為Hierarchical core–shell DNA condensates enable programmable information storage and encryption。中國科學院杭州醫學研究所的團隊開發了一種基于分層核殼DNA凝聚體的全新分子信息平臺，讓DNA從一個靜態的數據檔案庫，躍升為一個動態、可編程、具備內在計算與加密能力的智能信息處理系統。本篇論文的通訊作者為中國科學院杭州醫學研究所的何磊副研究員、韓達研究員。

從刻石記事到可擦寫黑板

傳統的DNA數據存儲技術，其核心是將二進制數據（0和1）直接轉換成A、T、C、G四種堿基的序列進行合成。這就像把字刻在石碑上，信息密度極高，但一旦寫入便無法修改，是純粹的“只讀存儲器”。

而本次研究的突破性思路在于，不再將信息鎖死在DNA序列里，而是將其編碼在DNA分子自組裝形成的微觀結構之上。團隊利用溫度控制的相分離過程，讓兩條長鏈DNA像樂高一樣，自動組裝成微米尺度的核殼結構——就像一個極其微小的洋蔥，擁有明確的內核與外殼。

DNA冷凝物的構建與信息編碼原理

如何用“熒光洋蔥”存下一句話

信息如何存入這個洋蔥？研究團隊玩起了空間與色彩的游戲。

他們為核心和外殼分別設計了不同的分子鎖（一段特定DNA序列）。然后，制備出能精準開鎖的熒光鑰匙——即攜帶不同顏色熒光分子的短DNA鏈。通過控制紅、綠、藍三種顏色的鑰匙是否結合、以及結合到內核還是外殼，就能創造出豐富的熒光分布圖案。

每種圖案對應一個字母。例如，只有內核發紅光代表A，外殼發綠光代表B，而內核藍、外殼紅綠疊加代表S。三種顏色在兩個空間維度上的組合，能產生27種獨特模式，足以編碼整個英文字母表。每個DNA洋蔥成為一個存儲字母的分子像素，排列起來就能保存句子。

信息編碼示意圖

研究者在一些熒光鑰匙上安裝了光控開關。用紫外光照射，開關斷裂，鑰匙脫落，信息即被擦除。空出的位置可以插入新鑰匙，完成重寫。通過巧妙的擦除-擴散策略，團隊能將父本洋蔥上的信息鑰匙提取出來，讓其擴散并裝載到周圍的空白洋蔥上，實現無損克隆。即使結構受高溫損壞，關鍵信息仍能提取并轉移到新載體中完美恢復。

可擦寫、可估值、可修復，這是此項技術相比傳統DNA存儲的一次飛躍，可以像管理U盤一樣管理分子數據。

作為演示，團隊成功存儲并讀取了莎士比亞的名句：TO BE OR NOT TO BE, THAT IS THE QUESTION

內在的智能：當存儲介質自己學會加密

傳統加密就像你把秘密文件鎖進一個堅固的保險箱。保險箱本身不聰明，開鎖的智力活動發生在外部——由人來記住密碼或保管鑰匙。而這項技術的加密方式截然不同，它的智能內置在存儲材料本身的結構和化學反應里。

邏輯鎖（與門鎖）：這個保險箱被設置成必須同時滿足兩個條件才能打開。比如，既需要一道特定的光鑰匙（紫外光照射），又需要一把分子鑰匙（一個特定的DNA片段）。缺任何一個，你看到的都只是一個假的、用來迷惑人的誘餌信息。

定時鎖：信息被讀取后，這個保險箱會自動上鎖或自我銷毀。解密后，密鑰會被一種酶逐漸消化。密鑰耗盡，信息自動重新加密隱藏。下次需要時，需提供新密鑰。這實現了定時自動回鎖。在限時基礎上，酶在消化密鑰時會永久破壞解密位點。因此，信息一旦讀取并自動銷毀后，即使有無限新密鑰也無法再次解密，實現真正的單次性。

生物識別鎖：這是最神奇的一點。團隊將一種能特異性識別癌細胞的DNA適配體整合入系統。只有當目標癌細胞出現時，適配體才會解鎖并釋放分子密鑰，解密出隱藏信息。對于正常細胞，信息永不顯露。這為開發僅在病變微環境中激活的智能診療系統奠定了基礎。

精細權限加密：信息可分層加密。低級密鑰只能解鎖部分信息，高級密鑰才能訪問全部信息，實現了分子級的信息分級管理。

從數據倉庫到生命接口

盡管這項研究目前仍處于概念驗證階段，每個英文字符還需要一個獨立的微孔來存放，但其展現的潛力是巨大的。研究者指出，若未來與微流控芯片、高通量陣列等技術結合，其信息存儲密度有望大幅提升，接近現有硬盤的水平。

更重要的是，它為我們打開了一扇通往分子信息學新世界的大門。這種集高密度存儲、動態編輯與智能加密于一體的DNA材料，不僅有望用于開發下一代超安全數據存儲技術，更可能在生物傳感、智能藥物遞送、合成生物學等領域大放異彩，讓信息的處理在分子尺度上變得更加智慧、更加可控。

編輯：郭郭

論文信息

發布期刊 Nature Communications

發布時間 2025年12月10日

論文標題 Hierarchical core–shell DNA condensates enable programmable information storage and encryption

(DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67093-w）