BB娱乐平台登录艾弗森东南大学肖鹏峰南洋理工胡晓《Sci Adv》： 水

　　数字信息，当转化为DNA序列时，可以提供密集、稳定、节能和可持续的数据存储。封装DNA的最稳定的方法是在二氧化硅、氧化铁或两者的无机基质中，但受限于低的DNA摄取量和复杂的恢复技术。在此，高负载量是通过直接从溶液中吸收DNA实现的，然后由于其与加载到用作载体的负电荷水凝胶基质中的超支化阳离子聚合物的相互作用以及其热响应性质(允许DNA通过多次溶胀/脱水循环在水凝胶中浓缩)而被保留。使用基于水凝胶的系统，。该研究以题为“Toward highly effective loading of DNA in hydrogels for high-density and long-term information storage”的论文发表在《

　　在该研究中，探索了一种热响应功能分级(TRFG)水凝胶用于DNA的浓缩和储存以获得高DNA数据密度。TRFG水凝胶是使用PNIPAM/聚丙烯酸钠(PSA)半互穿网络水凝胶制造的，该水凝胶是通过在凝胶化过程中将PSA分散在交联的PNIPAM基质中形成的。然后通过在不同分子量和浓度的质子化超支化聚乙烯亚胺(HPEI)溶液中溶胀带负电荷的PNIPAM/PSA半互穿网络水凝胶来制备TRFG水凝胶。分散在PNIPAM网络中的PSA通过静电相互作用进一步实现阳离子HPEI的高负载。HPEI的高电荷密度进一步确保了TRFG水凝胶的高DNA负载能力，并通过与PEI络合为带负电荷的DNA提供结合位点。水凝胶表面HPEI的过量胺官能团通过界面聚合交联，形成薄的聚酰胺(PA)层。因此，通过随后将TRFG水凝胶在20°C的DNA溶液中溶胀并在60°C消溶胀以释放吸收的溶液，DNA通过与PEI的相互作用被吸收并保留在TRFG水凝胶中。此外，交联的PA层进一步使DNA能够保留在水凝胶内，从而提供高负载能力。

　　图2显示了使用的TRFG水凝胶的制造原理图。首先，利用自由基聚合法合成了PNIPAM/PSA半互穿网络 水凝胶。合成的DNA序列含有磷酸基团，当放入水中时通常带有负电荷。因此，在该研究中，PNIPAM/PSA半互穿网络水凝胶作为载体，主要有两个原因。首先，使用半互穿网络结构的水采收率更高，使得膨胀的水凝胶微珠可以很容易地脱水。其次，带负电荷的PSA可以作为锚点，在质子化状态下与支化的阳离子聚合物相互作用，以确保其在半互穿网络水凝胶中的高负载量，并确保其在脱水过程中保持不变。

　　HPEI被用作阳离子聚电解质，具有增大的正电荷密度和丰富的活性官能团(伯胺基团)，因为它能够缩合DNA。一旦获得PNIPAM/PSA半互穿网络水凝胶，然后将完全溶胀的水凝胶微珠浸泡在含有不同相对分子质量的HPEI的水溶液中。随后，将水凝胶微珠悬浮在含有0.1wt%三甲氧基氯(TMC)的正己烷中，以允许HPEI的胺基与TMC进行界面聚合在水凝胶表面形成交联的PA层。确保在去水过程中HPEI/DNA保留在水凝胶中。HPEI的高电荷密度为PA层的形成提供了足够的反应场所，同时与分散在水凝胶中的PSA相互作用。

　　为了研究表面交联层对DNA摄取的影响，使用了荧光标记的DNA。制作的TRFG水凝胶微珠被允许在室温下在含有荧光标记的DNA的溶液中膨胀。在荧光芯片扫描仪下，TRFG水凝胶在其初始状态下没有产生任何荧光。然而，在显著肿胀后，它产生了发光的绿色荧光。这可能是由于荧光标记的含DNA溶液在水凝胶中完全吸收所致。这表明，大多数DNA分子可以从溶液进入水凝胶。由于DNA与HPEI的质子化胺形成络合物，它被吸附在水凝胶中，而剩余的溶液可以在60℃加热脱水时释放。

　　在形成PA层的过程中，随着水溶液中HPEI浓度的增加，DNA的装载密度也在增加。在水凝胶内看到的强烈荧光是由与HPEI结合的荧光DNA产生的。HPEI在形成过程中扩散到水凝胶中的程度越高，装载密度就越高。

　　为了测试TRFG水凝胶的DNA结合能力，测定了在60°C解冻后从TRFG水凝胶中释放出的溶液中的DNA浓度。在给定的周期内，水凝胶吸收的DNA越多，释放的溶液中的DNA量就越少。一旦TRFG水凝胶达到饱和，被吸收的DNA可以用pH9的洗脱缓冲液释放出来，水凝胶微珠可以再次被使用。在高pH值下，胺的去质子化导致了HPEI/DNA的解聚，随后DNA从TRFG水凝胶中释放。

　　当结合缓冲液的pH值为5时，水凝胶显示出最大的DNA负载能力。此外，使用pH值为10的洗脱缓冲液可以很容易地释放吸收的DNA，而当洗脱缓冲液的pH值低于8时，吸收的DNA不能从TRFG水凝胶中释放出来。还研究了温度对TRFG水凝胶的DNA结合能力的影响。在16℃的温度下，吸收的DNA吸收能力最高，而且发生的时间最少。

　　TRFG水凝胶通过与PEI形成的复合物包裹DNA，增强了DNA的稳定性，从而防止了DNA的进一步降解。且TRFG水凝胶与过滤卡相比在储存时间上表现出明显的优势，而与硅石中的DNA相比在储存时间上表现出类似的效果。在相同条件下，TRFG水凝胶中的DNA储存寿命与现有技术相当，在室温(20℃)下可使DNA储存超过1000年(半衰期的两倍)。

　　该研究将TRFG水凝胶合理地设计成具有较高的DNA装载能力，使用热反应的PNIPAM/PSA半IPN水凝胶作为支撑。PSA的存在为水凝胶内质子化的HPEI的高负载提供了锚点，然后通过络合作用使DNA被吸收。HPEI的浓度和分子量对提高TRFG水凝胶的DNA负载能力起着关键作用，同时TRFG水凝胶的热膨胀行为也使DNA在含有DNA的溶液中连续多次膨胀/脱水循环时在水凝胶微珠中明显地集中。由于TRFG水凝胶的热膨胀特性，它在60°C的脱溶过程中通过与HPEI的相互作用释放所吸收的溶液并保留DNA。此外，水凝胶表面的薄PA层进一步确保了在溶胀/解吸循环中保留DNA。TRFG水凝胶的DNA数据密度(7.0 × 109 GB/g)是迄今为止使用水凝胶报告的最高值之一。需要注意的是，由于不能直接测量水凝胶吸收的DNA的浓度，可能不是所有吸收的DNA都在脱溶过程中被释放。此外，通过无损检测方法，只需改变溶液的pH值，就可以释放被吸收的DNA。此外，所开发的TRFG水凝胶与其他数据存储方法相比，在DNA稳定性、保护和数据恢复方面表现出优势。最重要的是，基于TRFG水凝胶的DNA存储系统明显改善了DNA数据密度、长期准确性、恢复性和易用性。基于这些特性，新合成的TRFG水凝胶具有巨大的应用潜力，特别是在DNA的存储方面。