DNA折纸纳米结构实现动态链接数据存储，突破传统DNA存储瓶颈

《Nature Communications》：Linked data storage using DNA origami nanostructures

为解决传统DNA存储技术无法实现热数据（频繁访问与修改）管理的难题，研究人员开展了基于DNA折纸纳米结构（DON）的链接数据存储（DONLDS）研究。该研究利用不同形状的DON作为存储节点，通过可逆的DNA链连接实现数据的动态插入与删除，无需全结构遍历，存储密度高达222.22 Gbit/cm2。这项技术为DNA存储从冷数据归档迈向热数据应用开辟了新路径。

　　

在信息爆炸的时代，数据存储正面临前所未有的挑战。传统的硬盘和闪存技术虽然成熟，但其物理密度和长期稳定性已接近极限。此时，DNA（脱氧核糖核酸）作为一种天然的信息载体，以其极高的理论存储密度（理论上1克DNA可存储约2.15亿GB数据）、极长的半衰期（可达数百年甚至千年）和极低的能耗，被视为下一代海量数据存储的终极解决方案。

然而，当前的DNA存储技术主要依赖于将数据编码为DNA序列，通过化学合成“写入”，再通过测序技术“读取”。这种模式存在一个致命的缺陷：它本质上是一种“顺序存储”。就像一卷古老的磁带，要读取中间的数据，必须从头开始“播放”或“倒带”，无法实现快速的随机访问。此外，一旦数据写入，修改或删除特定部分的数据极为困难，通常需要重新合成整个DNA库。这使得现有的DNA存储技术仅适用于“冷数据”（Cold Data）的长期归档，即那些不常被访问、但需要永久保存的数据，如历史档案、科学数据备份等。

但数据世界的未来，不仅需要“冷”的仓库，更需要“热”的引擎。所谓“热数据”（Hot Data），是指需要频繁、快速访问和动态修改的数据，例如实时数据库、操作系统文件、用户交互数据等。如何让DNA存储技术从“冷库”走向“热盘”，实现像计算机内存一样的快速随机访问和高效数据修改，是DNA存储领域亟待攻克的核心难题。

为了回答这一挑战，来自南京邮电大学、上海交通大学等机构的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究。他们独辟蹊径，不再将DNA仅仅视为一串线性的编码序列，而是利用DNA纳米技术，将其折叠成具有特定形状和功能的“积木块”。他们开发了一种名为“DNA折纸纳米结构启用的链接数据存储（DONLDS）”系统，成功地在分子尺度上构建了一个类似于计算机内存中“链表（Linked List）”的数据结构，实现了数据的动态存储、快速访问和高效编辑。

关键技术方法

研究人员主要运用了DNA折纸（DNA Origami）技术，通过一条长链DNA（M13mp18）和数百条短链DNA（Staple Strands）的自组装，构建了三角形（TDON）、矩形（RDON）和十字形（CDON）三种纳米结构作为数据存储的“节点（Node）”。数据写入通过链霉亲和素（Streptavidin, SA）与生物素（Biotin）的特异性结合，在节点表面进行二进制编码。节点间的连接（即“指针”）由设计在结构边缘的DNA单链实现，通过互补配对和链置换反应（Toehold-mediated Strand Displacement）完成数据的动态链接、插入和删除。最终，所有构建的纳米结构均通过原子力显微镜（AFM）进行成像和数据分析。

研究结果

1. 创建DONLDS系统中的链表

研究人员首先构建了系统的核心组件——存储节点。他们利用DNA折纸技术，成功制备了三角形（TDON）、矩形（RDON）和十字形（CDON）三种不同形状的纳米结构。每个节点都包含两个关键区域：数据域（Data Domain）和指针域（Pointer Domain）。数据域位于节点中心，用于存储二进制信息；指针域位于节点边缘，由一系列具有特定序列的DNA单链构成，用于定义数据的位置和连接方向。

为了精确控制节点间的连接，研究人员设计了“操作链（Operation Strands）”，其序列与指针链完全互补。通过引入不同的操作链，可以像下达指令一样，引导特定的节点相互连接，形成有序的链表结构。原子力显微镜（AFM）图像清晰地展示了不同形状的节点在操作链的引导下，能够实现精确、有序的连接，甚至可以实现不同类型节点（如三角形与十字形）之间的跨类型互联，证明了系统的灵活性和可扩展性。

2. DONLDS系统中数据域的定义

为了在节点上存储信息，研究人员在节点表面设计了特定的“连接位点”。他们利用链霉亲和素（SA）与生物素（Biotin）之间的高亲和力结合，将SA分子作为二进制“1”的标记物，固定在节点表面的特定位置。通过精确控制SA分子的连接位置，实现了在纳米尺度上的二进制数据编码。

通过对三种不同形状节点的性能评估，研究人员发现矩形节点（RDON）具有最高的存储密度，达到222.22 Gbit/cm²，十字形（CDON）和三角形（TDON）节点也分别达到了177.76 Gbit/cm²和157.78 Gbit/cm²的密度，远高于传统存储介质。

3. 基于TDON节点的英文字母信息存储

为了验证系统的实用性，研究人员首先利用三角形节点（TDON）实现了英文字母的存储。他们设计了一套8位二进制编码方案，其中包含3位方向码和5位字母码，成功编码了26个英文字母。AFM图像显示，所有26个字母的存储节点均被成功构建，且存储准确率高达91.17%至95.64%。

更重要的是，他们成功演示了数据的动态连接。他们将“HELLO WORLD”这一短语分解为五个独立的字母对（如“HE”、“LL”等），并通过引入特定的操作链，成功地将这些独立的节点连接成五个二聚体结构，连接准确率超过90%。这证明了系统能够按照预设程序执行数据连接指令。

4. 基于CDON节点的数字信息存储

研究人员利用十字形节点（CDON）展示了数字信息的存储能力。他们设计了一个4位二进制编码方案，成功存储了0-9的数字，存储准确率在91.17%至95.94%之间。

为了展示更复杂的应用，研究人员构建了一个用于存储地理坐标的链表。他们设计了“头节点（Header Node）”来标识经纬度信息，以及“数据节点（Data Node）”来存储具体的度数、分度值。通过将多个CDON节点连接起来，他们成功存储了纽约、北京、巴西利亚和悉尼四个城市的地理坐标，展示了系统处理结构化数据的能力。

5. 利用RDON节点编码汉字信息

汉字信息量大、结构复杂，通常需要16位二进制编码。研究人员利用矩形节点（RDON）构建了汉字存储方案。由于单个RDON节点的容量有限，他们采用两个RDON节点作为一个存储单元来存储一个汉字。通过设计索引域、方向域和汉字域，他们成功编码并存储了“厚德”、“弘毅”、“求是”、“笃行”等八个汉字，展示了系统对复杂字符集的支持能力。

此外，他们还通过构建四聚体RDON结构，成功存储了《道德经》中的长句“道可道，非常道”，证明了系统在长文本存储方面的扩展潜力。

6. 不同类型信息的链接数据存储

DONLDS系统的核心优势在于其动态数据操作能力。研究人员通过DNA链置换反应，实现了数据的插入和删除操作。他们首先构建了一个包含多个节点的链表，然后通过引入“解锁链（Unlocked Strands）”断开特定节点间的连接，再通过引入新的操作链将新节点插入链表，或直接连接被删除节点前后的节点，从而完成了数据的动态编辑。

为了全面展示系统的能力，研究人员构建了一个包含9个节点的复杂链表，其中包含了三角形、矩形和十字形三种不同类型的节点。他们在这个链表中存储了“DNA-HELIX-1953”这一混合了英文、中文和数字的信息。随后，他们通过删除和插入操作，将链表中的“HELIX-1953”替换为“STORAGE-1988”，最终形成了新的链表，存储了“DNA-STORAGE-1988”信息。AFM图像清晰地展示了这一动态编辑过程，证明了系统在管理复杂、异构数据集方面的强大能力。

结论与讨论

这项研究成功开发了一种基于DNA折纸纳米结构的链接数据存储（DONLDS）系统，将计算机科学中的“链表”数据结构引入到分子尺度。该系统利用不同形状的DNA折纸作为存储节点，通过可逆的DNA链连接机制，实现了数据的动态插入、删除和随机访问，彻底改变了传统DNA存储只能顺序读写的模式。

DONLDS系统的核心创新在于其“指针”和“操作”机制。通过设计在节点边缘的DNA单链（指针）和可逆结合的操作链，系统能够像计算机程序一样，精确地控制数据的连接与分离。这种设计使得数据修改不再需要重新合成整个DNA库，而只需通过简单的链置换反应即可完成，极大地降低了数据处理的复杂度和成本。

在存储性能方面，该系统实现了高达222.22 Gbit/cm²的存储密度，并成功演示了对英文、数字、中文等多种类型信息的混合存储与动态编辑。实验结果表明，单节点的数据存储准确率超过91%，通过引入冗余编码和纠错码（ECC），系统级的可靠性可以得到进一步提升。

尽管目前DONLDS系统在读写速度、成本和单节点容量方面仍面临挑战，但它为DNA存储技术从“冷数据”归档迈向“热数据”应用开辟了一条全新的道路。随着DNA合成技术、酶促合成和高密度芯片技术的不断发展，以及原子力显微镜（AFM）等读