12月10日，《Nature Communications》在线发表了一项DNA存储领域的研究，题为Hierarchical core–shell DNA condensates enable programmable information storage and encryption。中国科学院杭州医学研究所的团队开发了一种基于分层核壳DNA凝聚体的全新分子信息平台，让DNA从一个静态的数据档案库，跃升为一个动态、可编程、具备内在计算与加密能力的智能信息处理系统。本篇论文的通讯作者为中国科学院杭州医学研究所的何磊副研究员、韩达研究员。

从刻石记事到可擦写黑板

传统的DNA数据存储技术，其核心是将二进制数据（0和1）直接转换成A、T、C、G四种碱基的序列进行合成。这就像把字刻在石碑上，信息密度极高，但一旦写入便无法修改，是纯粹的“只读存储器”。

而本次研究的突破性思路在于，不再将信息锁死在DNA序列里，而是将其编码在DNA分子自组装形成的微观结构之上。团队利用温度控制的相分离过程，让两条长链DNA像乐高一样，自动组装成微米尺度的核壳结构——就像一个极其微小的洋葱，拥有明确的内核与外壳。

DNA冷凝物的构建与信息编码原理

如何用“荧光洋葱”存下一句话

信息如何存入这个洋葱？研究团队玩起了空间与色彩的游戏。

他们为核心和外壳分别设计了不同的分子锁（一段特定DNA序列）。然后，制备出能精准开锁的荧光钥匙——即携带不同颜色荧光分子的短DNA链。通过控制红、绿、蓝三种颜色的钥匙是否结合、以及结合到内核还是外壳，就能创造出丰富的荧光分布图案。

每种图案对应一个字母。例如，只有内核发红光代表A，外壳发绿光代表B，而内核蓝、外壳红绿叠加代表S。三种颜色在两个空间维度上的组合，能产生27种独特模式，足以编码整个英文字母表。每个DNA洋葱成为一个存储字母的分子像素，排列起来就能保存句子。

信息编码示意图

研究者在一些荧光钥匙上安装了光控开关。用紫外光照射，开关断裂，钥匙脱落，信息即被擦除。空出的位置可以插入新钥匙，完成重写。通过巧妙的擦除-扩散策略，团队能将父本洋葱上的信息钥匙提取出来，让其扩散并装载到周围的空白洋葱上，实现无损克隆。即使结构受高温损坏，关键信息仍能提取并转移到新载体中完美恢复。

可擦写、可估值、可修复，这是此项技术相比传统DNA存储的一次飞跃，可以像管理U盘一样管理分子数据。

作为演示，团队成功存储并读取了莎士比亚的名句：TO BE OR NOT TO BE, THAT IS THE QUESTION

内在的智能：当存储介质自己学会加密

传统加密就像你把秘密文件锁进一个坚固的保险箱。保险箱本身不聪明，开锁的智力活动发生在外部——由人来记住密码或保管钥匙。而这项技术的加密方式截然不同，它的智能内置在存储材料本身的结构和化学反应里。

逻辑锁（与门锁）：这个保险箱被设置成必须同时满足两个条件才能打开。比如，既需要一道特定的光钥匙（紫外光照射），又需要一把分子钥匙（一个特定的DNA片段）。缺任何一个，你看到的都只是一个假的、用来迷惑人的诱饵信息。

定时锁：信息被读取后，这个保险箱会自动上锁或自我销毁。解密后，密钥会被一种酶逐渐消化。密钥耗尽，信息自动重新加密隐藏。下次需要时，需提供新密钥。这实现了定时自动回锁。在限时基础上，酶在消化密钥时会永久破坏解密位点。因此，信息一旦读取并自动销毁后，即使有无限新密钥也无法再次解密，实现真正的单次性。

生物识别锁：这是最神奇的一点。团队将一种能特异性识别癌细胞的DNA适配体整合入系统。只有当目标癌细胞出现时，适配体才会解锁并释放分子密钥，解密出隐藏信息。对于正常细胞，信息永不显露。这为开发仅在病变微环境中激活的智能诊疗系统奠定了基础。

精细权限加密：信息可分层加密。低级密钥只能解锁部分信息，高级密钥才能访问全部信息，实现了分子级的信息分级管理。

从数据仓库到生命接口

尽管这项研究目前仍处于概念验证阶段，每个英文字符还需要一个独立的微孔来存放，但其展现的潜力是巨大的。研究者指出，若未来与微流控芯片、高通量阵列等技术结合，其信息存储密度有望大幅提升，接近现有硬盘的水平。

更重要的是，它为我们打开了一扇通往分子信息学新世界的大门。这种集高密度存储、动态编辑与智能加密于一体的DNA材料，不仅有望用于开发下一代超安全数据存储技术，更可能在生物传感、智能药物递送、合成生物学等领域大放异彩，让信息的处理在分子尺度上变得更加智慧、更加可控。

编辑：郭郭

论文信息

发布期刊 Nature Communications

发布时间 2025年12月10日

论文标题 Hierarchical core–shell DNA condensates enable programmable information storage and encryption

(DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67093-w）