非经典核酸数据存储的进展与挑战

为什么把数据存储在分子中很重要

我们创建的每张照片、每条消息和每部视频都必须有存放之处，而今天这个“存放之处”大多是占地巨大的硬盘仓库，这些仓库耗电量大且硬盘在几十年内会磨损失效。本文探讨了一种截然不同的方法：将经过专门设计的遗传分子当作微小的数据磁带。通过改良 DNA 和 RNA 的常见构件，科学家们希望开发出比硅芯片或磁盘更高密度、更耐久且更安全的信息存储介质。

从脆弱的 DNA 到更坚韧的新分子

天然 DNA 已经是令人印象深刻的存储介质，能在显微空间内容纳大量信息，并能在化石中保存数万年。但在日常条件下——高温、湿气、微量化学物质或会降解 DNA 的酶作用下——它也会迅速退化。作者引入了“非经典核酸”（ncNAs）的概念：这些是类似 DNA 和 RNA 的分子，其碱基、糖或骨架经过化学修饰，甚至采用镜像构型，从而赋予其新的性质。这些改变可使分子更难被酶破坏，对酸碱更有抵抗力，并能比普通 DNA 更好地在严苛的真实环境中存活。

为遗传字母表增添新字母

综述中最有力的想法之一是将遗传字母表从通常的四个字母 A、T、G、C 扩展。化学家已经合成出额外的碱基配对，它们能嵌入双螺旋结构但在自然界中并不存在。拥有 8、12 或更多字母时，链上每个位点能编码更多的信息位，从而将存储密度提升到远超标准 DNA 的水平。有些新碱基通过疏水相互作用而非通常的氢键配对，表明可以在不丢失可读性的前提下弯曲自然的配对规则。

重构分子骨架

除了改变“字母”，研究者还改造了连接遗传链的糖和骨架。将常见的糖替换为三碳糖（threose）或六碳醇糖（hexitol），或把带电的磷酸连接替换为中性或含硫的连接，会显著改变链的行为。许多此类 ncNA 在高温、酸性或酶丰富的环境中表现出惊人的稳定性，而天然 DNA 在这些条件下会迅速分解。一些镜像版本，如 L-DNA，对普通酶和免疫防御“隐形”，使其在超安全数据存储和隐藏信息方面很有前景，尽管目前制造和读取它们仍然昂贵且困难。

数据如何被写入、保存与读取

将数字文件转换为分子形式遵循四步循环：编码、写入、保存和读取。首先将比特翻译为序列或结构，然后使用化学方法或经过改造的酶合成成 ncNA 链。这些链可以存放在细胞外——封装在玻璃、二氧化硅或聚合物内——也可以放在细胞内甚至改造植物中，后者的天然修复机制有助于维护它们。读取数据可以使用常见的 DNA 测序仪、先进的纳米孔设备（在通过微小孔时“感受”每个单元）或识别折叠纳米结构形状的显微镜。由于许多 ncNA 尚不能直接测序，它们常常在读取前被转回常规 DNA，这一步当前研究正致力于简化和改进。

新可能性：计算、安全与并行写入

文章强调，ncNA 不仅仅用于存储数据——它们还能处理数据。基于 DNA 的逻辑电路和神经网络已经存在，加入化学上有区别的字母表可以更容易地并行运行多项操作而避免不必要的串扰。某些修饰像是隐形墨水，允许信息隐藏在只有特定酶或特定条件才能显现的链或结构中。其他修饰，如可逆的化学加成物或甲基模式，类似印刷机上的活字：它们能在现有链上并行地刻录信息、擦除并重写，而无需从头重建整个分子。

面临的挑战与成功的意义

尽管充满前景，作者强调非经典核酸存储仍处于早期阶段。合成长度长且无错误的链代价高昂且技术要求高，许多最有吸引力的化学改造尚不兼容快速且经济的读取技术。将高度稳定、部分非天然的分子引入生物系统也带来重要的安全和伦理问题。即便如此，综述勾画了一条路线图：更快的合成、更聪明的封装以及借助人工智能增强的纳米孔读取器，可能在未来几十年内使基于 ncNA 的存储变得实用。如果实现，我们有朝一日可能不再把数字文明备份在旋转的磁盘上，而是在微小、坚韧的设计分子链中保存。}

引用: Wang, Y., Pei, Y., Tang, L. et al. Advances and challenges in non-canonical nucleic acids data storage. Nat Commun 17, 2354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68708-6

关键词: DNA 数据存储, 非经典核酸, 分子存储, 非天然碱基配对, 纳米孔测序