液晶引导的DNA信息存储技术：实现无损恢复与长期保存的创新平台

为解决DNA数据存储中DNA载量低、恢复过程复杂及长期保存稳定性差等问题，研究人员开展了基于液晶（LC）与阳离子表面活性剂组装DNA信息保存平台（LDIPP）的研究。该平台通过静电与疏水作用形成层状结构，实现了高DNA负载（28.5 wt%）、快速无损恢复（盐溶液处理10分钟）、抗酶解和抗菌特性，并通过矿化延长保存寿命（-20°C下半衰期提升近10倍）。LDIPP的热塑性及可定制宏观形态为DNA存储提供了多场景应用方案，推动了DNA存储技术的实用化发展。

　　

随着大数据时代的爆发性增长，传统存储介质已难以满足海量数据长期保存的需求。DNA因其理论存储密度高达455 EB/g（exabytes/gram）、能耗低且化学稳定性高，被视为理想存储介质。然而，DNA链在保存过程中易受温度波动、酶降解和微生物侵蚀等因素影响，导致链断裂或信息丢失。现有DNA保存方法（如硅胶、氧化铁或水凝胶封装）存在DNA负载量低（通常<5 wt%）、操作复杂且宏观形态单一等问题，严重限制了其实际应用。

为突破这些瓶颈，研究人员开发了一种基于液晶（Liquid Crystal, LC）引导的DNA信息保存平台（Liquid crystal–guided DNA information preservation platform, LDIPP）。该平台通过带负电的DNA分子与阳离子表面活性剂（如DDAB）的静电和疏水作用自组装形成层状结构，实现了高密度DNA负载、快速无损恢复、抗生物降解及可定制宏观形态等功能。研究结果发表于《SCIENCE ADVANCES》，为DNA数据存储提供了多尺度、高性能的解决方案。

研究主要采用以下关键技术：

1. 1.

   LDIPP组装技术：通过DNA与DDAB在水溶液中自组装形成层状结构，经离心、冻干和脱水处理获得溶剂-free的固体材料。

2. 2.

   DNA编码与算法优化：采用级联算法（含Lempel-Ziv-Welch压缩、Reed-Solomon纠错和Raptor-Q冗余编码）优化GC含量和同聚物消除，提升存储密度和准确性。

3. 3.

   无损恢复技术：使用高浓度盐溶液（3 M醋酸钠，pH 5.2）破坏静电作用，10分钟内释放DNA并通过低温离心回收。

4. 4.

   抗菌与抗酶测试：通过接触培养和酶切实验（Eco RI, 200-800 U/ml）验证LDIPP对微生物和核酸酶的抵抗能力。

5. 5.

   矿化与寿命延长：通过交替浸泡CaCl₂和Na₂HPO₄溶液在LDIPP表面形成磷酸钙（CaP）矿化层，并通过加速老化实验（60-70°C, 50% RH）推算保存寿命。

研究结果

Preparation and characterization of LDIPP

通过DDAB与DNA（长度688 bp至4.8 Mbp）组装形成层状结构，偏振光学显微镜（POM）显示明显双折射纹理，证实有序微观结构。小角X射线散射（SAXS）显示层间距d≈3.2 nm，证实调制近晶相结构。DNA负载量达28.5 wt%，远超现有方法（如硅胶封装）。LDIPP具热塑性（相变温度155°C），可模塑成花瓣或空心六边形等形状，并通过有机溶剂溶胀形成可塑弹性有机凝胶。

Efficient and rapid DNA recovery from LDIPP

使用3 M醋酸钠溶液（pH 5.2）涡旋处理10分钟即可释放DNA，回收率近100%。Sanger测序和Illumina全基因组重测序验证了编码信息（如《海的诗歌》和莫扎特音频）的准确恢复，逻辑存储密度达1.90-1.92 bits/nt。恢复的DNA质粒可通过微生物发酵生物放大（10小时35倍），且连续传代1000代未发现突变错误。

Enzymatic resistance and antimicrobial properties of LDIPP

LDIPP能抵抗Eco RI酶切（最高800 U/ml），测序显示酶切位点保持完整。对革兰氏阴性（E. coli）和阳性（S. aureus）菌均表现出强抗菌性，SEM和菌落计数显示LDIPP表面无活菌附着，而对照组菌落大量生长。

Mineralization of LDIPP for long-term preservation and steganography

CaP矿化后（M-LDIPP），DNA负载量仍达24.2 wt%。加速老化实验表明矿化层显著延缓DNA降解，活化能从138.68 kJ/mol提升至155.18 kJ/mol，推算-20°C下保存半衰期延长近10倍。LDIPP可模塑成牙齿形状并矿化，实现信息隐写术（Steganography），SEM和EDS证实连续CaP层形成。

结论与讨论

LDIPP通过液晶引导的组装策略，成功解决了DNA存储中高负载、快速恢复、生物稳定性和长期保存等核心问题。其层状结构不仅提供抗酶解和抗菌保护，还通过矿化进一步延长寿命，适用于 archival cold storage（冷存储）。热塑性和可矿化特性支持多形态信息加密与迁移，为DNA存储的实际应用提供了全面解决方案。该平台在存储密度、操作效率和环境适应性方面显著优于现有技术（如硅胶或聚合物封装），有望推动DNA存储技术在大数据领域的规模化应用。