大家好！今天来了解一项在DNA存储领域具有重要意义的研究成果——《Toward highly effective loading of DNA in hydrogels for high-density and long-term information storage》发表于《Science Advances》。这项研究开发了一种热响应功能梯度（TRFG）水凝胶，为高密度和长期信息存储中的DNA高效加载提供了新的解决方案。
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一、研究背景与现状
（一）DNA存储的机遇与挑战
在当今数字化信息时代，数据存储需求呈指数级增长，传统存储架构面临着严峻挑战，已逐渐接近其物理极限。而DNA存储作为一种新兴技术，具有巨大的潜力。理论上，DNA能够存储高达455EB/g的数据密度，这比传统存储媒体高出数十亿倍。然而，要实现这一理论存储密度，仍需克服诸多障碍。目前，DNA粉末存储是常见的方法，但它存在诸多局限性。例如，DNA粉末需与其他保护载体结合，像硅胶珠等，这些载体往往比DNA本身重很多，导致有效存储容量大幅降低。同时，这种方法容易造成DNA损伤和污染，并且可能需要与多种稳定剂共存，这不仅进一步降低了有效存储容量，还可能导致DNA与稳定剂混合不均。因此，探索更高效的DNA存储方法迫在眉睫。
（二）现有DNA存储方法的困境
现有的DNA存储方法主要分为吸附法和封装法。吸附法虽然在一定程度上避免了封装法中DNA回收效率低的问题，但通常面临着DNA负载密度不足的困扰，而且吸附载体容易吸附杂质，对DNA吸附产生负面影响。封装法虽然能够实现相对较高的DNA密度，但在DNA回收过程中面临挑战，例如需要使用极端pH值的溶剂等不利条件来释放DNA，导致难以充分利用封装的DNA。此前报道的DNA存储方法中，虽有通过层层封装在磁性纳米颗粒中实现较高数据密度（如超过109GB/g）的案例，但组装的多层结构在DNA释放过程中容易被破坏，不适合重复存储和检索信息。
（三）水凝胶在DNA存储中的潜在价值
水凝胶是一种具有三维交联结构的亲水性聚合物网络，能够容纳大量水分。尽管此前已有研究将水凝胶用于核酸控释，但由于在封装过程中的聚集和不稳定，其负载密度较低。不过，水凝胶因其精确的分子识别能力、生物相容性和可预测的刺激响应性，在DNA数据存储方面具有潜在优势。特别是刺激响应性水凝胶，如基于聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）的水凝胶，具有独特的物理化学性质，其温敏特性使其在药物控释等领域广泛应用，也为DNA存储带来了新的思路。
二、研究内容与成果
（一）高效的DNA编码和解码程序
为了充分发挥DNA存储技术的巨大潜力，研究团队开发了一种Python程序，实现了数字信息与DNA代码之间的高效转换。在编码过程中，该程序能够迅速将所需信息转换为DNA序列，而在解码阶段，则可以准确地将测序样本中的信息还原为数字数据。具体而言，编码过程仅需0.21秒，解码过程耗时0.26秒，展示了其高效性。例如，研究中对包含五所大学座右铭及“Welcome to Nanyang Technological University”等信息的DNA序列进行编码和解码，成功实现了信息的准确转换，为后续的DNA存储奠定了坚实基础。
（二）TRFG水凝胶的制备与特性
1、制备工艺与原理
TRFG水凝胶的制备过程精细且独特。首先，通过自由基聚合在PSA存在的条件下合成PNIPAM/PSAsemi-IPN水凝胶，这一过程为后续的功能化提供了基础支撑。接着，将得到的水凝胶浸泡在不同分子量和浓度的质子化HPEI溶液中，使HPEI充分负载到水凝胶中，随后在含TMC的己烷中进行界面聚合，形成交联的PA层。PA层的形成不仅能够确保HPEI/DNA在水凝胶中的有效保留，还对DNA的负载和释放过程起着关键的调控作用。
2、结构与性能表征
微观结构观察：通过扫描电子显微镜（SEM）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）对TRFG水凝胶进行观察，发现其呈现出独特的微观结构。例如，在光学显微镜下，TRFG水凝胶呈现透明白色，内部为纯白色，外层透明。
FESEM图像显示，在水凝胶表面形成了致密的PA层，且该层与水凝胶孔隙相适配。
热响应性能分析：利用差示扫描量热仪（DSC）测量水凝胶的VPTT，结果表明，PNIPAM/PSAsemi-IPN水凝胶的VPTT约为35.37°C，加载质子化HPEI后的TRFG水凝胶仍保持热响应性，其VPTT变化不大。这一特性使得水凝胶在不同温度下能够发生溶胀/去溶胀变化，从而实现对DNA的有效负载和释放。例如，在温度低于VPTT时，水凝胶保持溶胀状态，有利于DNA的吸收；而当温度升高至60°C（高于VPTT）时，水凝胶发生去溶胀，释放多余溶液并保留DNA。
溶胀/去溶胀动力学研究：通过测量水凝胶在不同温度下的平衡溶胀比（ESR），进一步探究其溶胀/去溶胀行为。研究发现，在20°C时，水凝胶溶胀，而在60°C时，溶胀比降低，表明水凝胶在温度变化时能够有效地调节自身的体积。同时，去溶胀动力学研究显示，在60°C时，大部分吸收的水分在不到30分钟内即可释放，这为DNA的快速浓缩提供了可能。
（三）TRFG水凝胶的DNA负载与回收能力
1、负载机制与优化条件
TRFG水凝胶对DNA的负载机制基于HPEI质子化胺与DNA之间的相互作用。在20°C、pH5的条件下，水凝胶在DNA溶液中溶胀，实现DNA的吸收；随后在60°C去溶胀时，释放多余溶液并保留DNA。
研究团队通过一系列实验确定了优化的负载条件，如发现pH5为最佳结合缓冲液pH，此时DNA负载量最高；在16°C时，水凝胶对DNA的吸收能力最强且所需时间最短。
2、负载能力与数据密度测定
以HPEI-25kTRFG水凝胶（5wt%HPEI）为例，详细研究其DNA负载能力。经过多次溶胀/去溶胀循环，计算得出该水凝胶的DNA负载密度高达7.0×10⁹GB/g，这一数据密度在已报道的水凝胶基DNA存储系统中处于领先水平。例如，在实验中，通过精确测量DNA溶液在吸收前后的浓度变化，结合水凝胶的重量，计算出单位质量水凝胶中DNA的含量，进而得到这一令人瞩目的数据密度。
3、回收性能与检测限评估
为了评估TRFG水凝胶对DNA的回收性能，研究团队建立了不同浓度的DNA溶液进行实验。通过dPCR技术检测发现，当DNA样本浓度高于50拷贝/ml时，回收效率超过90%，且结果与理论值非常接近。而当DNA浓度低于5拷贝/ml时，虽然回收效率有所下降，但仍足以满足DNA测序的要求，确定了TRFG水凝胶回收DNA的最低量约为5-10拷贝。这一检测限的确定对于实际应用中低浓度DNA样本的处理具有重要意义。
（四）TRFG水凝胶对DNA的长期保护与稳定性
1、稳定性增强机制
TRFG水凝胶在长期保护DNA方面表现出色，其稳定性增强的机制主要在于水凝胶能够通过与PEI形成复合物来封装DNA，从而有效防止DNA的进一步降解。研究发现，在TRFG水凝胶中加入50%的DNA保护剂（REIH）时，DNA的稳定性达到最佳状态。
2、与其他存储技术的比较
通过对比DNA在TRFG水凝胶、硅胶封装以及滤纸片等不同存储技术下的降解动力学，研究表明，TRFG水凝胶在存储时间上具有明显优势。例如，在室温下，TRFG水凝胶可使DNA存储超过1000年，其衰减率与硅胶封装的DNA相当，远优于滤纸片存储。这一结果证明了TRFG水凝胶在长期DNA存储方面的卓越性能。
（五）DNA回收的验证与准确性分析
1、PCR验证
从TRFG水凝胶中回收的DNA通过PCR技术进行验证，成功扩增出了目标片段，包括约300bp的长序列（如“Welcome to Nanyang Technological University”）和约100bp的短序列。这一结果表明，TRFG水凝胶在存储过程中能够有效地保护DNA，使其在回收后仍具备完整的扩增能力。
2、测序准确性评估
在测序方面，研究采用了Sanger测序和双单核苷酸测序系统对回收的DNA进行分析。结果显示，尽管Sanger测序的初始准确率约为90%，但经过六次测序误差校正后，准确率可达100%；双单核苷酸测序系统的初始准确率约为93%，同样在校正后达到100%。这充分证明了从TRFG水凝胶中回收的DNA具有高度的准确性，确保了存储信息的可靠恢复。
三、研究意义与展望
本研究开发的TRFG水凝胶为DNA存储提供了一种创新的解决方案。其独特的设计和优异的性能，如高DNA负载能力、长期稳定性、无损回收以及可重复使用等特点，显著提高了DNA数据存储的效率和可靠性。与传统的DNA存储方法相比，TRFG水凝胶具有明显的优势，在数据密度、长期准确性、回收和易用性方面都取得了重大突破。这一成果为未来大规模、长期稳定的DNA存储应用奠定了坚实基础，有望在生物信息学、档案存储、数据安全等领域发挥重要作用，推动DNA存储技术向实用化和产业化迈进。
四、一起来做做题吧
1、以下关于DNA存储的说法，不正确的是（）
A.DNA存储理论上能达到比传统存储媒体高很多的存储密度
B.目前DNA粉末存储是最理想的DNA存储方法
C.DNA存储面临着如提高存储密度、避免DNA损伤等挑战
D.传统存储架构在满足数字存储需求方面遇到困难
2、与吸附法相比，封装法存储DNA的主要优势在于（）
A.DNA负载密度更高
B.DNA回收更方便
C.对DNA的保护更好
D.操作更简单
3、在TRFG水凝胶的制备过程中，HPEI的主要作用是（）
A.调节水凝胶的温度响应性
B.增加水凝胶的孔隙率
C.提高水凝胶对DNA的负载能力
D.增强水凝胶的机械强度
4、TRFG水凝胶释放DNA的条件是（）
A.降低温度至16°C
B.改变溶液pH至9-10
C.增加溶液中DNA的浓度
D.施加电场
5、TRFG水凝胶在DNA存储方面的主要优势不包括（）
A.可实现无损DNA回收
B.具有极高的DNA数据密度
C.制备过程简单且成本低
D.能完全避免DNA降解
6、本研究成果对DNA存储领域的意义主要在于（）
A.解决了DNA存储的所有问题
B.提供了一种新的、更有效的DNA存储方法
C.证明了传统DNA存储方法的不可行性
D.仅提高了DNA存储的短期稳定性
参考文献：
Zhongjie Fei et al. ,Toward highly effective loading of DNA in hydrogels for high-density and long-term information storage. Sci. Adv.9, eadg 9933(2023).
