基于电驱动T7启动子寻址系统的DNA数据存储随机访问技术研究

本研究针对DNA数据存储中随机访问效率低、PCR扩增偏差等问题，开发了一种电驱动T7启动子寻址系统。通过电压调控DNA构象实现特异性信息访问，无需复杂地址序列设计，支持单次写入多次读取（WORM），在1.5分钟内完成转录，半衰期达638年（0°C）。该技术为高密度DNA存储商业化提供了新范式。

　　

在数据爆炸式增长的时代，传统存储介质面临密度瓶颈，而DNA因其超高物理密度（理论上1克DNA可存储215PB数据）和千年级稳定性成为理想替代品。然而现有DNA存储系统存在"数据易找难查"的困境——虽然PCR扩增能实现随机访问，但随着存储规模扩大，引物交叉反应会导致数据丢失；磁珠地址链杂交法则面临非特异性结合风险，且地址链比数据链更易降解。更棘手的是，高频访问的索引数据会加速整体数据质量衰减，就像反复翻阅的纸质档案终将破损。

东南大学生物科学与医学工程学院的研究团队在《Nucleic Acids Research》发表突破性成果，创新性地将电化学与分子生物学交叉融合，开发出"电驱动T7启动子寻址系统"。该系统通过电压极性切换控制DNA构象变化，就像用电子钥匙精准打开保险箱，实现了无需序列寻址的物理定位访问。研究人员将150-200 nt的DNA设计成茎环结构，其中茎部包含T7启动子识别序列，环部为聚T序列，通过氨基修饰共价固定在羧基化电极表面。关键实验技术包括：1）电化学还原法制备羧基化电极；2）EDC/NHS介导的DNA固定；3）电压调控（±1.5V）的体外转录（IVT）；4）RT-qPCR定量分析；5）加速老化实验评估稳定性。

设计验证与电极修饰
通过琼脂糖电泳和Sanger测序验证茎环结构有效性（图2B）。采用循环伏安法（CV）证实4-羧基苯基重氮盐（4-CP）修饰使电极表面电荷密度达10¹³分子/cm²，RuHex定量显示DNA固定效率满足中密度覆盖需求（图2D-E）。

电驱动转录调控
负电压（-1.5V）使带负电的DNA磷酸骨架远离电极，T7 RNA聚合酶可顺利结合启动子，1.5分钟内完成转录；正电压（+1.5V）则通过静电吸附抑制转录（图3A）。该系统成功实现四种访问模式：单链读取（150-A或150-B）、中英文文件（"东南大学"/"SEU"）单独或组合读取（图6A）。

长度优化与稳定性
测试150/175/200 nt三种长度显示，延长转录时间至2.5分钟可使200 nt产物产量提高3倍（图4B-E）。70°C加速老化实验测得活化能E_A=114.43 kJ/mol，推算室温（25°C）下半衰期超50年，优于多数固态存储介质（图5B-D）。

实际应用验证
将《道德经》首章（204字节）和太极图（277字节）编码为39条DNA链，电极阵列芯片存储后，通过负电压选择读取特定文件。二代测序显示>90% reads与目标文件匹配（Supplementary Fig.S9），错误率低于常规PCR方法。

这项研究开创性地将电信号转化为分子生物学指令，解决了DNA存储的"随机访问悖论"——既不需要牺牲编码空间设计正交地址序列，也避免了PCR的指数扩增偏差。其单次写入多次读取（WORM）特性尤为适合档案级存储，而电寻址与未来电化学DNA合成的兼容性，为开发"分子硬盘"控制器铺平了道路。值得关注的是，该系统在信息密度（1.83×10^-3 bits/nt）和存取速度（1.5分钟）指标上已接近实用化门槛，电极阵列的可扩展架构更使其具备TB级存储潜力。正如作者指出，下一步将与功能保护材料结合，开发既能室温长期保存又支持电寻址的"分子U盘"，最终实现合成-存储-读取的全自动化DNA信息闭环。