在功能化塑料表面上共轭DNA以实现顺序、迭代的单分子测序

将未来的数据存储在微小链上

想象把你的照片、书籍或科学记录备份成一种可以保存数百年并能装入比沙粒还小的微粒的形式。DNA——同样承载我们基因的分子——正成为超高密度、长寿命数据存储的有力候选。本论文探讨了一种新的方法，将DNA数据“停放”在普通塑料实验管的内壁上，然后反复读取而不破坏原始分子。

一种新型“拇指盘”

当今的硬盘和闪存会磨损，而且每克所能存储的信息远不及DNA的潜力。研究人员已经展示了如何把数字文件翻译成DNA“字母”序列。但每次复制或测序这些DNA链时，部分原始材料都会被消耗掉，就像复印过多次导致墨水褪色一样。在这项研究中，作者将实验室常见的塑料PCR管转变为一种可重复使用的物理存储设备。他们将承载编码数据的DNA链化学连接到管的内表面，使DNA固定在原位，同时可以反复制作并读取其拷贝。

将DNA“点击”到塑料上

团队依赖于一种高度特异的“点击化学”——一类以快速、可靠且温和著称的反应。首先，他们在代表不同数据“文件”的DNA链末端加入特殊的化学尾基。这些基团基于一种称为TCO的分子，设计用于与已接枝到塑料表面的匹配基团（MTz）锁定。当两者相遇时，会形成稳定的共价键，有效地将DNA粘接到塑料上。用对照DNA片段进行的测试表明，孵育后几乎所有的DNA都从溶液中消失，表明其已固定在管壁上。该平台可容纳数量级在数百飞摩尔的DNA，提示对实用数据集有充足的容量。

按需检索数字“文件”

为了验证这些表面固定的DNA是否仍可作为可操作的档案，研究人员将文本和其他数据编码到大约15,000条短DNA链的池中，分为18个“文件组”。每一组都能用其特定的一对引物选择性地进行复制——引物是指引复制机械到达正确目标的短起始序列。团队在同一管中反复执行标准PCR反应，每次选择不同的文件组去扩增。每次运行后，他们移除复制得到的DNA，用能消化溶液中残留产物的酶清洗管子，然后进行下一组。对复制材料的纳米孔测序显示，大多数文件组以高准确率被检索到，且来自早期运行的交叉污染极低，通常约为1%或更少。

寻找更温和的读取方式

然而，问题在于：当他们在同一个管上重复进行多达18次的PCR时，检索到的DNA量稳步下降。PCR依赖快速的升降温，作者推测反复的高温正在损伤被固定的DNA或其与塑料的连接，尽管对照测试表明DNA并非简单地洗脱到溶液中。为了解决这一问题，他们转向重组酶聚合酶扩增（RPA），这是一种较新的方法，在接近体温的单一较低温度下工作。在新涂有DNA的管上使用RPA，他们依次再次查询了所有18个文件组。这一次，产量很高——约为60 ng/µL——且未出现相同的下降趋势。在复制过程中被偏好或不被偏好的链群模式，也与在游离溶液中的观察结果高度一致。

迈向便携、持久的DNA存储

通过将稳健的点击化学与低温DNA复制相结合，这项工作指向了一种实用途径：将简单的塑料管变成可重复使用的DNA数据墨盒。DNA被物理地锁定在管上，可以在不消耗原始分子的情况下反复查询特定“文件”，尤其是使用更温和的RPA方法时。对非专业读者而言，关键点是：DNA不仅是生命的编码——它也能作为紧凑、耐久的数字信息存储介质。像这种方法让我们更接近这样的未来：你的长期备份不再是旋转的磁盘，而是静静放在实验室货架上、经过精心工程化的分子中。

引用: Roy, S., Ji, H.P. & Lau, B.T. DNA conjugation on functionalized plastic surfaces for sequential, iterative single molecule sequencing. Sci Rep 16, 6467 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37575-y

关键词: DNA 数据存储, 点击化学, 塑料表面共轭, 重组酶聚合酶扩增, 纳米孔测序