在报纸印刷领域，利用物联网（IoT）技术中的DNA数据实现物理数据的大规模分发

《Small》：Large-Scale Distribution of Physical Data Using DNA-of-Things Technology in Newspaper Printing

　　**摘要**

DNA代表了高密度和长期数据存储的一种有前景的解决方案。在本研究中，我们通过将数字数据编码到封装在二氧化硅中的DNA中，并将其嵌入报纸油墨中，来探索DNA-of-Things（DoT）技术的可扩展性和鲁棒性。为了纪念德国《基本法》（Grundgesetz）颁布75周年，该法律被编码到DNA中，封装在二氧化硅纳米颗粒中，并与基于石蜡的胶印油墨混合，以便在发行量超过50万份的《南德意志报》（Süddeutsche Zeitung）上进行大规模分发。我们通过检索、测序和解码嵌入的数据来评估打印后DNA的完整性和可恢复性。我们的结果展示了DNA-of-Things技术的敏感性和可扩展性。作为概念验证，DNA被可靠地存储在印刷介质中，并且能够从含有大约14飞克DNA的单个油墨点中成功提取出来。

**1 引言**

在当今世界，问题不再是我们能存储多少数据，而是我们能多高效地存储数据。随着数字存储需求的增加，传统的存储介质在可扩展性、寿命和安全性方面遇到了限制。DNA作为生命的自然蓝图，成为了一种数据存储的替代方案。虽然迄今为止，用于产品标签的DNA[1, 2]主要基于使用短序列作为“条形码”，但核酸也被探索作为数字数据存储的媒介[3-8]。为了确保材料的物理身份和数字身份的一致性，有必要将物理标记与数字跟踪结合起来[9]。已经开发了各种物理标记系统，包括条形码[10]、激光雕刻、RFID芯片[11]和荧光标记[12-14]。虽然这些方法可以在产品的生命周期的特定阶段实现识别或跟踪，但它们通常作为静态标识符使用，在耐用性、防伪性或循环经济中的集成方面往往不够理想。与静态标签不同，DNA允许在分子水平上编码高度特定和唯一的数字身份[15]，不仅提供了识别功能，还提供了嵌入历史数据（如加工步骤或热历史）的潜力[16]。DNA-of-Things（DoT）技术[17]弥合了数字数据和物理数据之间的差距。在这里，数字信息作为合成DNA被引入到日常物品中，从而挑战了数字领域和物理领域之间的界限。这一原理涉及将四种DNA碱基（A、C、T、G）映射到二进制数字（00、01、10、11）上，使得可以在合成DNA的化学序列中编码数字信息。DNA的理论存储密度达到每克数百艾字节[3]，远远超过了传统数据载体的存储能力。多项关于DNA数据存储的研究[18]表明，通过错误校正[5, 7, 19]和人工“化石化”[5]，可以实现长期稳定的存储，并且还允许在并行文件系统中进行随机访问[6, 20]。此外，近年来用于写入[21]和读取[22]DNA的分子工具变得越来越可用，技术成本也在降低[23]。使DNA能够嵌入日常物品的关键组件是使用二氧化硅纳米颗粒来封装DNA链，从而确保DNA的稳定性和防止环境降解[24]。本研究分析了DNA-of-Things（DoT）技术在印刷介质中进行大规模信息分发时的可扩展性和鲁棒性。为了纪念德国《基本法》（Grundgesetz）颁布75周年，一群艺术家和活动家发起了名为“民主的DNA”（DNA of Democracy）的项目[26]。该项目旨在利用DNA作为概念桥梁，连接生物遗产和文化遗产。该倡议旨在提高人们对民主和基本人权的认识，这些是《基本法》中的核心价值观。在与报纸编辑的合作下，决定在2024年五旬节版的《南德意志报》中包含编码《基本法》文本的DNA[27]。

**2 方法**

**2.1 一般实验方法**

在本报告中，我们讨论了与该项目相关的科学方面和技术挑战。将DNA编码的数字数据嵌入二氧化硅纳米颗粒中，并将其混合到报纸印刷油墨中。通过将嵌入的DNA置于大规模印刷和分发的实际条件下，我们评估了分子数据是否能够承受大规模生产的物理和化学压力，并且仍然可以可靠地被检索出来。2024年4月访问的德国联邦议会网站上发布的《德意志联邦共和国基本法》文本[25]被使用BZip2压缩，并使用Meiser等人提出的协议[28]编码到DNA中。寡核苷酸池由外部服务提供商（Twist Biosciences）合成。从88纳克的寡核苷酸池开始，通过PCR和接头序列进行稀释和扩增，具体细节见表S1。这一扩增步骤显著增加了DNA的数量，得到了200微克的未纯化产品，适合进一步使用。为了保护DNA并提高其长期稳定性，使用Paunescu等人提出的改进方法[24]将扩增的寡核苷酸池封装在二氧化硅纳米颗粒中。通过PCR分析确定，这些纳米颗粒对寡核苷酸池的封装保护率约为85%。为了与胶印油墨的疏水性兼容，最初在水溶液中合成的二氧化硅纳米颗粒被转移到有机介质中，以便与粘稠的油墨配方均匀结合[29]。所得到的油基悬浮液随后被送往多个印刷设施，在那里它被加入到用于第1页以及第7页和第17页的黑色油墨中，这些页面出现在超过50万份的《南德意志报》中[30]，这些报纸分布在德国和邻国。图S11显示了纸张纤维上DNA/SiO2颗粒的SEM图像，突出了它们的形态和分布。一个核心挑战是在工业过程（如胶印）中的极端稀释条件下确定DNA-of-Things技术的实际可行性[31]，我们对此没有直接控制，以及DNA浓度是否足以检索到编码的信息。为了测试数据的可恢复性，从不同地点购买了报纸样本（苏黎世、慕尼黑和海因斯贝格），并进行了处理以增强油墨的提取。选择了印刷品的不同部分进行分析，如图片部分、文本、单个单词、单个字母和标点符号。使用四氢呋喃提取含有DNA的油墨，以去除最初悬浮颗粒的油基成分。然后通过离心分离颗粒和颜料，之后使用Paunescu等人提出的改进协议[24]中的氟化物基蚀刻溶液破坏二氧化硅壳，从而回收封装的DNA。随后的离心步骤分离出含有DNA寡核苷酸池的上清液部分。这种方法实现了DNA的受控释放，而不影响其分子完整性，从而允许进行准确的下游分析。提取协议进一步优化，DNA的回收率提高了大约两个数量级（118倍，见图S3）。尽管有这些改进，提取溶液中的颜料和纸张残留物仍然干扰了qPCR分析。为了克服这个问题，在提取过程的最后引入了额外的纯化和浓缩步骤，有效地去除了抑制剂并提高了DNA的回收率（见注释S1）。图1提供了从编码和提取到信息检索和解码的整个过程的概述。

**2.2 编码和寡核苷酸池制备**

德国联邦议会网站上发布的《德意志联邦共和国基本法》文本[25]使用BZip2压缩存储，并使用Meiser等人提出的协议[28]编码到DNA中。具体来说，使用参数“–n = 2000 –k = 1755 –N = 36”进行编码，得到了2000个每个包含108个核苷酸的序列，外部冗余率为13.9%，内部冗余率为12.5%。这些序列从Twist Bioscience订购作为寡核苷酸池。将寡核苷酸池重新悬浮至10 ng μL?1，并使用超纯水稀释5000倍后，在96孔板中通过PCR扩增24个循环（见下文）。扩增的DNA无需额外纯化即可使用。

**2.3 DNA在二氧化硅纳米颗粒中的封装**

扩增的DNA按照Paunescu等人提出的协议[24]封装在商业二氧化硅纳米颗粒中。具体来说，1毫升的二氧化硅纳米颗粒（SiO2-R-0.15，143纳米，50毫克/mL，MicroParticles GmbH）被沉淀并悬浮在1毫升异丙醇（99.9%，Sigma–Aldrich）中。经过超声处理后，加入100 μL N-三甲氧基硅基丙基-N,N,N-三甲基铵氯化物（TMAPS，50% w/v，ABCR），并在热振摇器中以900 rpm的速度振荡12小时。洗涤并重新悬浮在1毫升异丙醇中后，向1毫升扩增的DNA（100 ng μL?1）中加入70 μL功能化的二氧化硅纳米颗粒和20 μL聚乙烯吡咯烷酮溶液（10克/L）。几分钟后，颗粒被沉淀并重新悬浮在0.5毫升超纯水中。向此悬浮液中加入0.5 μL TMAPS和0.5 μL四乙氧基硅烷（TEOS，≥99.0%，Sigma–Aldrich），并在900 rpm的速度下振荡。4小时后，再加入4 μL TEOS。四天后停止振荡，颗粒被沉淀并最终重新悬浮在0.5毫升超纯水中。对于报纸油墨，共合并了四批颗粒，得到了2毫升的二氧化硅封装DNA。

**2.4 报纸印刷**

为了配制用于冷固印刷的二氧化硅封装DNA，颗粒被沉淀并重新悬浮在1毫升四氢呋喃（99.9%，Sigma–Aldrich）中。然后将150 μL这种悬浮液加入20毫升石蜡油（Merck Millipore）中，并在速度混合器（MX-F Vortex Mixer，2500 rpm）中以3000 rpm的速度混合1分钟。然后将悬浮液转移到50毫升Schott烧瓶中用于运输。在每个印刷设施中，将悬浮液混合到34千克的商业黑色胶印油墨（Hubergroup 39GN106 GOOD NEWS Schwarz）中。这一过程在用于印刷第1页、第7页和第17页的四个印刷地点都进行了。所使用的印刷技术是典型的商业冷固网版胶印技术。在这种技术中，油墨通过印刷版转移到纸上，并通过吸附到纸上而干燥。

**2.5 DNA-of-Things油墨和喷墨印刷**

对于喷墨印刷实验，将二氧化硅封装的DNA颗粒引入Epson 104 Ink Series Genuine Eco Tank（SKU:C13T00P140）黑色油墨中。取50 μL的7克/L纳米颗粒储备溶液，离心并重新悬浮在50 μL 99%乙醇（Sigma-Aldrich）中。然后将颗粒与15毫升油墨混合，轻轻搅拌以确保均匀性。使用Epson ET-2860喷墨打印机在标准操作条件下进行印刷，没有观察到喷嘴堵塞、印刷缺陷或操作不稳定。

**2.6 从报纸中回收二氧化硅封装的DNA**

为了回收二氧化硅封装的DNA，从不同大小的报纸部分取样。从图片、文本、单个单词和单个字母中各取40毫克的样本。还包括了一份来自另一份报纸（“20 Minuten”）的阴性对照样本，以监测交叉污染。所有样本一起存储和处理。将报纸样本切碎以增加可用表面积，并在1毫升四氢呋喃（THF）中洗涤。经过超声处理后，将含有提取油墨的THF溶液从纸上分离出来，并在室温下以21500 × g的离心力离心4分钟。所得到的由油墨颜料和二氧化硅颗粒组成的沉淀物用99%乙醇（Sigma–Aldrich）洗涤一次。二氧化硅的溶解是使用含氟溶液按照Paunescu等人[24]描述的协议进行的。准备了0.23克NH4HF（>98%，Reinst，Carl Roth GmbH）和0.19克氟化铵（>98%，ACS Reagent，Sigma Aldrich Co）的混合物，并加入10毫升Milli-Q超纯水（类型1，25°C时电阻率为18.2 MΩ·cm），以创建一个缓冲的氧化物蚀刻液。将10微升的缓冲氧化物蚀刻液加入颗粒团块中，然后进行涡旋混合，并加入100微升Milli-Q水。选择蚀刻液的浓度和pH值是为了防止在释放步骤中核酸发生水解或变性。溶液再次涡旋混合后，在25°C下进行10分钟的超声处理，以溶解保护涂层并完全降解二氧化硅颗粒。所得到的黑色溶液在室温下以21,500 × g的离心力离心4分钟。在这个过程中，DNA留在上清液中，而色素则形成了颗粒团块。收集上清液，使用DNA Clean & Concentrator PCR纯化试剂盒（Zymo Research，产品编号D4004）进行纯化，并浓缩至最终体积15微升。

2.7 从喷墨打印纸上回收二氧化硅封装的DNA

为了后续的DNA回收和分析，收集了打印纸样本（50毫克）。为了监测潜在的交叉污染，还包含了白色传统喷墨打印纸的样本；所有样本一起储存和处理。将打印纸样本切碎以增加可用表面积，并用1毫升四氢呋喃（THF）洗涤。超声处理后，将含有提取墨水的THF溶液与纸张分离，转移到另一个1.5毫升的试管中，并在室温下以21,500 × g的离心力离心4分钟。随后，向之前洗涤过的纸张中加入1毫升Milli-Q超纯水（类型1，25°C时电阻率为18.2 MΩ·cm）。超声处理后，将含有剩余提取墨水的水溶液与纸张分离，并加入到从THF提取中获得的颗粒团块中。将合并后的样本进行超声处理、涡旋混合，然后在室温下以21,500 × g的离心力离心4分钟。向得到的颗粒团块中加入10微升的缓冲氧化物蚀刻液，然后进行涡旋混合，并加入100微升Milli-Q水。溶液再次涡旋混合后，在25°C下进行10分钟的超声处理，以溶解和降解二氧化硅颗粒。所得到的溶液在室温下以21,500 × g的离心力离心4分钟。收集上清液，使用DNA Clean & Concentrator PCR纯化试剂盒（Zymo Research，产品编号D4004）进行纯化，并浓缩至最终体积15微升。

2.8 通过PCR进行定量

对于PCR实验，除了另有说明外，将5微升样本以及每种正向和反向引物（0 F/0 R，10微米，见表S1）各1微升加入10微升2x KAPA SYBR FAST聚合酶主混合物（Sigma–Aldrich）中。总是加入超纯水至最终体积20微升。热循环过程包括初始的5分钟95°C变性，接着是15秒54°C和30秒72°C，共40个循环。引物由Microsynth购买，并根据需要用超纯水稀释。

2.9 回收二氧化硅封装的DNA

测序准备按照Meiser等人[28]描述的协议进行。具体来说，在定量PCR之后，将相同样本的重复样品合并，并使用旋转柱纯化（DNA Clean & Concentrator-5，Zymo Research）进行纯化。用超纯水洗脱后，首先使用1F/1R引物（见表S1）进行12个循环的扩增，然后在E-Gel EX琼脂糖凝胶（2%，Invitrogen）上切割出适当的条带，并使用旋转柱（Zymoclean Gel DNA Recovery Kit，Zymo Research）进行纯化。这个过程重复进行，以引入使用2F/2RI引物（见表S2和S3）的测序索引。纯化后，所有样本分别稀释至1纳米，合并后根据制造商的说明在Illumina iSeq 100测序仪上进行测序。

2.10 统计分析

所有提取实验都进行了两次重复实验，每次重复实验又进行了两次技术重复（例如，qPCR测量）。数据以这些重复实验的平均值±标准差（SD）表示。没有进行转换或归一化处理。误差反映了合并的实验和技术重复之间的变异性。所有测量的原始数据都提供在支持信息中。提供描述性统计（平均值±SD）以说明测量的可重复性和变异性。

2.11 从DNA中解码数据

解复用的测序数据通过使用NGmerge [32]（v0.3）进行读取合并，并使用“-m 10 -d -e 10”选项进行后处理。数据解码按照Meiser等人[28]描述的方法进行，使用上述编码解码器选项。错误分析使用Gimpel等人[33]的DT4DDS（v1.1）进行。

3 结果

为了评估从打印的DNA编码材料中检索信息的可靠性，我们首先解决了确定成功回收DNA所需的最小物理样本大小的挑战。提取后，使用定量PCR扩增DNA以测量浓度、提取效率和降解程度。这使我们能够系统地测试是否可以从越来越小的打印样本中检索到DNA寡核苷酸池。外包的嵌入过程引入了变异性，提供了在现实世界的生产和分发条件下评估系统稳健性的机会。值得注意的是，即使是从报纸样本上的单个墨点中也成功回收了DNA，如图2a所示，证明了该方法的高灵敏度。在所有实验中，使用了一份不同的报纸“20 Minuten”作为阴性对照；报纸一起储存和处理以监测交叉污染。图2a显示了每次提取获得的DNA链的数量。瑞士报纸“20 Minuten”被用作阴性对照，接着是从一张报纸的不同部分到单个墨点的不同数量的DNA链（原始数据和校准曲线见图S4和S5）。图2b显示了在不同地理位置购买的两种报纸的不同部分中每次提取获得的DNA链的数量（原始数据和校准曲线见图S4和S5）。图2c显示了标准化覆盖分布。更宽的分布反映了寡核苷酸的不均匀代表，增加了丢失低覆盖率序列的可能性，并突出了DNA回收过程中的变异性。图2d是报纸部分的照片。图2e是位于慕尼黑-Steinhausen的Süddeutsche Zeitung主要印刷设施的照片。NP1–3分别对应于在慕尼黑、苏黎世和Heinsberg购买的报纸。数据以两次实验重复的平均值±SD表示，每次实验都有两次技术重复；样本大小和统计分析的详细信息在统计分析部分提供。Süddeutsche Zeitung GmbH报纸的图片，经Süddeutsche Zeitung Content的许可转载。有趣的是，不同大小的样本中的DNA浓度保持一致，这是出乎意料的。进一步的研究发现，过多的打印纸会抑制PCR扩增，限制了反应效率并掩盖了样本之间的浓度差异。这种抑制效应在图S1和S2以及注释S1中进一步讨论。为了评估大规模应用的潜力，我们测试了从不同地点（例如苏黎世、慕尼黑和Heinsberg）印刷和分发的Süddeutsche Zeitung的各种版本中回收DNA的情况。图2b提供了编码数据可靠回收的证据，证实了在现实世界打印条件下的嵌入和提取过程的可重复性。为了检索编码信息，我们使用Illumina iSeq技术进行了DNA测序。提取程序后，对于单个墨点，我们获得了14飞克DNA的理论产量，相当于大约30份编码文件的副本。PCR分析测量得到11飞克的DNA，表明提取效率约为80%。详细计算见表S4和S5，而表S6将理论产量与单个墨点的实际DNA浓度进行了比较。使用iSeq对文库进行测序后，每次实验平均产生了356,117个成功合并的读段。平均测序深度约为180，通过将合并读段的平均数量除以序列数量计算得出。解复用的测序数据通过使用NGmerge [32]（v0.3）进行读取合并后处理。数据解码按照Meiser等人[28]描述的方法进行，使用特定的编码解码器。错误分析使用DT4DDS（v1.1）进行，并基于Gimpel等人[33]提出的框架。错误分析用于评估丢失率、覆盖分布和总体错误率，见图3。

3 结果

为了评估从打印的DNA编码材料中检索信息的可靠性，我们首先解决了确定成功回收DNA所需的最小物理样本大小的挑战。提取后，使用定量PCR扩增DNA以测量浓度、提取效率和降解程度。这使我们能够系统地测试是否可以从越来越小的打印样本中检索到DNA寡核苷酸池。外包的嵌入过程引入了变异性，提供了在现实世界的生产和分发条件下评估系统稳健性的机会。值得注意的是，即使是从报纸样本上的单个墨点中也成功回收了DNA，如图2a所示，证明了该方法的高灵敏度。在所有实验中，使用了一份不同的报纸“20 Minuten”作为阴性对照；报纸一起储存和处理以监测交叉污染。图2a显示了每次提取获得的DNA链的数量。瑞士报纸“20 Minuten”被用作阴性对照，接着是从一张报纸的不同部分到单个墨点的不同数量的DNA链（原始数据和校准曲线见图S4和S5）。图2b显示了在不同地理位置购买的两种报纸的不同部分中每次提取获得的DNA链的数量（原始数据和校准曲线见图S4和S5）。图2c显示了标准化覆盖分布。更宽的分布反映了寡核苷酸的不均匀代表，增加了丢失低覆盖率序列的可能性。图2d是报纸部分的照片。图2e是位于慕尼黑-Steinhausen的Süddeutsche Zeitung主要印刷设施的照片。NP1–3分别对应于在慕尼黑、苏黎世和Heinsberg购买的报纸。数据以两次实验重复的平均值±SD表示，每次实验都有两次技术重复；样本大小和统计分析的详细信息在统计分析部分提供。Süddeutsche Zeitung GmbH报纸的图片，经Süddeutsche Zeitung Content的许可转载。有趣的是，不同大小的样本中的DNA浓度保持一致，这是出乎意料的。进一步的研究发现，过多的打印纸会抑制PCR扩增，限制了反应效率并掩盖了样本之间的浓度差异。这种抑制效应在图S1和S2以及注释S1中进一步讨论。为了评估大规模应用的潜力，我们测试了从不同地点（例如苏黎世、慕尼黑和Heinsberg）印刷和分发的Süddeutsche Zeitung的各种版本中回收DNA的情况。图2b提供了编码数据可靠回收的证据，证实了在现实世界打印条件下的嵌入和提取过程的可重复性。为了检索编码信息，我们使用Illumina iSeq技术进行了DNA测序。提取程序后，对于单个墨点，我们获得了14飞克的DNA理论产量，相当于大约30份编码文件的副本。PCR分析测量得到11飞克的DNA，表明提取效率约为80%。详细计算见表S4和S5，而表S6将理论产量与单个墨点的实际DNA浓度进行了比较。使用iSeq对文库进行测序后，每次实验平均产生了356,117个成功合并的读段。平均测序深度约为180，通过将合并读段的平均数量除以序列数量计算得出。解复用的测序数据通过使用NGmerge [32]（v0.3）进行读取合并后处理。数据解码按照Meiser等人[28]描述的方法进行，使用特定的编码解码器。错误分析使用DT4DDS（v1.1）进行，并基于Gimpel等人[33]提出的框架。错误分析用于评估丢失率、覆盖分布和总体错误率，见图3。

错误 (a) 每个实验的总体错误率（橙色：替换，蓝色：删除，绿色：插入），*与未打印时的DNA数据存储错误率[33]相比。(b) 按位置划分的错误率。(c) 替换错误。(d) 删除错误。我们成功从所有测试样本中回收了编码文件，这些样本来自不同大小和类型的报纸。为了探讨质量分布对文库组成的影响，我们分析了覆盖分布和测序错误率。图2c显示了所有实验中DNA寡核苷酸池的标准化覆盖情况。更宽的分布表明寡核苷酸的代表不均匀，增加了丢失低覆盖率序列的可能性。在所有测序轮次中，所有样本的总体序列丢失率（提取后未测序的序列比例）保持在6%以下，见图3b。未观察到提取报纸的表面积与丢失率之间的相关性。这可以归因于存在干扰PCR扩增的纸张添加剂，如图S2所示。阴性对照样本“20 Minuten”显示的丢失率超过了40%，显著高于“丢失阈值”13.9%，表明将阴性对照与实际样本一起处理导致了一些轻微的污染，阴性对照中发现的DNA不足以解码文件。丢失阈值对应于错误校正代码提供的最大冗余度，超过这个阈值后就无法可靠地解码存储的信息。我们还测量了测序错误率，包括替换、插入和删除。总体而言，每个核苷酸的错误率较低（图3a），低于0.015，与Gimpel等人[33]报告的值相当。（无打印*，图3a），对于Taq基聚合酶的合成和Illumina测序，表明打印过程没有引入可测量的序列错误增加。在这些错误中，替换错误最为常见，这可以归因于使用的Taq基聚合酶在每个循环中大约引入1.09 × 10^-4 nt^-1的替换[33]。这种聚合酶在A→G和T→C转换上表现出强烈的偏好（61%的替换），其次是A→T和T→A转换（13%），与Gimpel等人[33-35]之前报告的错误模式一致。为了进一步减少错误，合并的读段被聚类以生成共识序列，将残余的测序错误减少了一个数量级[36, 37]，见注释S2和图S7。此外，我们评估了所有实验中平均的位点特定错误率（见图S6）。在所有实验中，索引区域的错误率较高（高达每个核苷酸0.15个错误），这部分序列编码了一个低多样性的DNA池，对测序仪提出了更高的挑战[38]，因此错误率也较高。然而，这些替换错误可以由内部解码器很好地处理，在所选的冗余度下，理论上每个序列可以纠正两个替换错误。替换错误按类型分类。由于PCR的局限性，无法区分互补的替换模式（例如，A→G替换可能反映了互补链上的T→C替换）。删除错误也按碱基类型进行了分析。发现它们在所有核苷酸中发生的频率大致相等，这可能与合成过程有关[39]。总体较低的错误率，如图3所示，结合观察到的替换主导模式，反映了聚合酶保真度、PCR诱导的偏差和测序伪影之间的相互作用[19, 33, 40]。为了证明“DNA-of-things”技术不仅与报纸印刷兼容，还与其他印刷技术兼容，我们还使用喷墨打印机进行了测试，并对打印出的DNA进行了紫外线和热老化测试。在喷墨打印机实验中，将含有DNA的二氧化硅纳米颗粒的乙醇悬浮液加入到商用喷墨打印机（Epson ET-2860）的黑色墨水中，然后直接使用该打印机在标准A4纸上打印文本。在整个实验过程中，包括连续几天运行打印机并打印150页内容，均未观察到打印设备出现堵塞现象。打印出的纸张经过了极其严格的稳定性测试，包括使用P120砂纸的磨损测试、UVC辐照以及在70°C下加速老化六天的处理（这相当于在20°C下老化约164年[5]（注S3））。在所有情况下，老化测试后可提取的DNA量与原始浓度仅有微小差异（见图S8–S10），这表明将数字数据以DNA形式存储在纸张上具有很高的稳定性。在实际应用方面，“DNA-of-things”技术仍受到成本的限制。虽然此前已经证明该技术能够存储超过1MB的数据量，并支持多种数字数据格式（包括音频和视频[41]），但DNA合成的成本仍然相当高。按照每核苷酸约0.0001美元的阵列DNA合成成本[42]计算，每MB数据的成本约为500美元[17, 43]（假设编码密度为1.5比特/核苷酸）。这一成本远高于传统存储介质，例如磁带存储的成本仅为每TB 16美元[44]（=0.000016美元/MB）。与传统介质不同，DNA数据存储需要一次性合成成本，而通过PCR复制几乎免费，每个样本的成本不到1美元，且可以生成数十亿份副本。这种高前期成本和低复制成本的结构与报纸印刷类似，后者依赖昂贵的印版准备，但每份副本的成本很低。与二维码不同，“DNA-of-things”技术不需要额外的印刷空间，这在空间成本高昂的大众媒体中是一个重要优势，这也体现在报纸广告的高价格上。尽管二维码目前适用于小数据量（最多约3kB），但普遍测序技术的进步可能会在未来扩展基于DNA的信息存储的应用范围[45]。

**4 结论**

Koch等人[17]此前已经展示了“DNA-of-Things”（DoT）技术的潜力，他们成功地将数字信息嵌入到物理对象中，同时不损害这些对象的功能。这项技术的应用范围从分子隐写术到更具前瞻性的用途，如自复制系统。如表1所示，先前的研究已经证明了使用不同的编码策略、存储介质和压缩方法，可以存储从短文本消息到图像、3D模型和完整视频文件等各种类型的信息。这些方法涵盖了广泛的文件大小、数据密度和复制规模，从少量实验副本到数十万份大规模分发的实例。

**表1. 代表性DNA数据存储研究比较**
| 研究/系统 | 存储的信息类型 | 文件大小 | 复制/实例数量 |
|------------------|-----------------|-----------------|-----------------|
| Clelland等人，Nature (1999) | “在DNA微点中隐藏信息” | 1, 10, 100份副本；通过邮寄在纸上恢复 |
| Shipman等人，Nature (2017) | “使用CRISPR–Cas将数字电影编码到活细菌的基因组中” | 图像帧：人手；GIF：Muybridge马动画 | 784字节；3.6 KB（5帧）；数据复制48代细菌 |
| Organick等人，Nat. Biotech (2018) | “大规模DNA存储中的随机访问” | 35个数字文件（文本、图像、视频）；200+ MB（文件大小：29 KB–44 MB） | 整个数据池合成；通过引物实现随机文件访问 |
| Koch等人，Nat. Biotech (2019) | “DNA-of-Things：将DNA存储嵌入物体中” | 斯坦福兔子（3D模型）+ 视频片段 | 45 KB + 1.4 MB；DNA嵌入3D打印物体中的二氧化硅珠中；在5代打印后恢复 |
| 本研究（2025） | “民主的DNA” | 《南德意志报》50万份副本中的DNA | 36,847字节；DNA嵌入每份报纸中 |

本研究代表了迄今为止最大的DoT应用实例，将一份法律文件的完整文本嵌入到了50万份印刷报纸中。我们证明可以从墨水中可靠地提取DNA，其浓度为每克报纸14.4皮克DNA（约14飞克DNA）。这些结果强调了DoT技术在大规模部署中的可行性，并为安全印刷、防伪和分布式数字存档开辟了新的应用前景。随着DNA合成[48]、测序和纠错[5, 7, 19, 28]技术的不断进步，基于DNA的存储技术将更易于融入科学和商业领域[20]。随着DNA数据存储技术的发展，我们可以期待在数字安全、产品可追溯性和可持续信息管理等领域出现新的应用。

**致谢**

作者衷心感谢Solimán López和Daniel Koller对“民主的DNA”项目的贡献，感谢Jürgen Maukner和Andrian Kreye在《南德意志报》上对该项目的支持和报道，以及Süddeutscher Verlag Zeitungsdruck GmbH的Jürgen Schulze对印刷过程的监督。部分图表使用BioRender.com制作。“图1”和“图S1”均由F. granito在BioRender中创建（链接：https://BioRender.com/r68y179和https://BioRender.com/b825etx）。开放获取出版由苏黎世联邦理工学院通过与Wiley - 苏黎世联邦理工学院的合作协议（通过瑞士学术图书馆联盟）促成。

**资金支持**

本研究由苏黎世联邦理工学院和欧盟（DiDAX 101115134项目）资助。然而，所表达的观点仅代表作者本人，并不一定反映欧盟或欧洲研究委员会执行机构的立场。欧盟或资助机构对此不承担任何责任。瑞士的参与者得到了瑞士教育、研究和创新秘书处（SERI）的支持，合同编号为23.00330。

**利益冲突**

RNG和WJS是关于将DNA封装在二氧化硅纳米颗粒中的专利的发明者。该专利授权给了Haelixa AG，RNG和WJS是Haelixa的少数股东。

**数据可用性声明**

支持本研究结果的数据可在Figshare上公开获取：https://doi.org/10.6084/m9.figshare.c.8017144，参考编号8017144。