基于杂交编码的DNA标签与纸基读取技术：面向防伪原材料追踪的创新解决方案

为解决供应链中原材料追踪与防伪的难题，研究人员开发了名为DNATrack的创新系统，利用杂交编码（HyEn）的DNA标签（DNATags）结合纸基荧光读取技术，实现了低成本、高安全性的多比特信息存储与现场快速解码。该系统通过独特的DNA双链结构设计抵御PCR伪造攻击，并在15分钟内完成读取（成本2-4美元/次），为高价值商品（如艺术品、奢侈品）的防伪提供了分子级解决方案。研究成果发表于《Nature Communications》，为供应链管理提供了兼具可扩展性与安全性的新工具。

　　

全球供应链的脆弱性在新冠疫情中暴露无遗，传统追踪技术如条形码、RFID标签虽成本低廉，却面临易篡改、难以整合到原材料等挑战。尤其对于高价值商品，伪造者通过复制标签可轻易掩盖商品来源。DNA因其纳米级尺寸、环境稳定性和序列多样性，被视为理想的分子级标记载体，但现有DNA标签方案或缺乏防伪能力，或依赖昂贵测序设备，难以大规模应用。

微软研究院的Jiaming Li、Alex Crown、Yuan-Jyue Chen等团队开发了DNATrack系统，通过杂交编码（Hybridization-Encoding, HyEn）技术将数字信息转化为DNA标签（DNATags），并创新性地使用硝化纤维素纸（nitrocellulose paper）作为荧光信号读取载体。该系统在25比特容量下实现每读取2.77美元的低成本，且能抵抗PCR扩增和测序伪造攻击，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究团队采用三项核心技术：

1. 杂交编码（HyEn）：用单链DNA（Bit‘1’）和部分双链复合物（Bit‘0’）表示二进制数据，高温下双链解离导致编码不可逆丢失，从而抵御PCR攻击；
2. 纸基荧光读取：将荧光标记的报告复合物固定在5×5阵列的硝化纤维素纸上，通过链置换反应（toehold-mediated strand displacement）产生特异性荧光衰减模式，智能手机即可解码；
3. 错误校正码（ECC）：采用线性码（12位数据扩展为24位码字）纠正合成与读取误差，容错达3比特。

研究结果
杂交编码与反应评估
实验证实DNA Bit‘1’能特异性触发荧光衰减（10分钟达峰值），而Bit‘0’或错配序列无响应（图2e）。双链复合物在95°C加热5分钟后编码完全随机化（图5b），而传统单链DNA标签可被PCR扩增伪造。

DNATags的稳定性
添加海藻糖（trehalose）的DNATags在干燥后仍保持解码准确性（p<0.05），模拟实验显示其液态环境下可稳定10年以上（图S15b）。

端到端验证
将24比特DNATags标记于软木塞、生菜等物体表面，隔夜后仍能100%正确解码（图4c）。

防伪性能
对比实验显示，HyEn编码能抵抗“读取-重写”攻击——测序仅能获取DNA序列而无法确定杂交状态（图1d），且冗余随机序列库（如20bp S_i域含4²⁰组合）使逆向工程成本极高。

讨论与意义
DNATrack首次将DNA编码的防伪性、纸基读取的便携性与ECC的鲁棒性结合，填补了现有技术空白。尽管当前DNA合成成本限制其在低利润领域应用，但其在艺术品、奢侈品等场景的防伪潜力显著。未来可通过缩小纸基阵列尺寸（如微流控打印）进一步降低成本。该研究为分子级供应链安全提供了新范式，其设计原则可扩展至药品溯源、食品认证等领域。

研究同时指出局限性：大量DNA需求（60μg/次读取）和液体环境下的潜在洗脱风险需通过硅包埋（silica encapsulation）等技术优化。随着DNA合成成本下降，DNATrack或将成为对抗全球 counterfeit economy（仿冒经济）的关键工具。