在合成生物学与核酸信息存储等前沿方向中，实现低背景、高信噪比的DNA标记与实时监测，一直是分子工具开发的核心目标。荧光核苷类似物（FBA）的快速发展正在为这一目标提供新的化学空间与功能可能性，也有望为人工合成生命体系中遗传物质的可视化与信息编码带来新的机遇。

荧光核苷类似物作为研究核酸结构与动力学、实现核酸动态监测的核心分子工具，却长期受困于一项难题——绝大多数FBAs在掺入DNA后都会遭受严重的荧光淬灭，尤其当相邻碱基为鸟嘌呤（G）时，光诱导电子转移会导致其荧光大幅下降甚至严重淬灭乃至完全“沉默”。这一序列依赖性问题严重阻碍了在复杂生物体系中进行精准、无损、序列普适的核酸标记与示踪。真正“开启型（turn-on）”的荧光核苷极为罕见：已知FBAs大多要么本底荧光较强（背景高），要么掺入后越变越暗，难以实现“原本不发光、掺入后变亮”的理想特性，极大限制了在人工遗传系统中实现低背景、高信噪比分子报告与信息编码的可能性。

北京时间2026年6月25日，中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所副研究员梅辉团队与成都医学院副教授明新团队、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所客座研究员/华中农业大学教授黄小罗团队合作，在国际学术期刊Nucleic Acids Research发表题为“A turn-on fluorescent nucleoside enabling sequence-insensitive DNA labeling”的重要研究成果。团队成功开发出首个兼具“开启式”荧光响应、序列不敏感性和酶促反应兼容性的新型荧光核苷工具——^TzdU，为核酸动态研究、荧光检测及信息存储等技术开辟了全新路径。

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文章链接：https://academic.oup.com/nar/article/54/12/gkag633/8715187

在该研究中，团队基于前期对噻唑基尿嘧啶核苷类似物的研究，设计并合成了新型噻唑基-dU类似物^TzdU。该化合物在水溶液中几乎不发光（Φ = 0.005），但掺入DNA后荧光开启：在单链DNA中增强约10倍，双链DNA中增强高达50倍。同时，^TzdU的开启亮度几乎不受相邻碱基种类的影响，即使两侧均为G、通常易引发淬灭的碱基环境中，仍能保持稳定发光（Φem = 0.05–0.08），这在已知的开启型荧光核苷中极为罕见。

团队通过系统的溶剂效应、pH滴定、氘代水同位素效应及粘度实验，并结合密度泛函理论计算，深入阐明了^TzdU的荧光开启机制：发光增强源于掺入DNA后规避了水溶剂淬灭和激发态质子转移两条主要的非辐射失活途径；而抵抗G淬灭的能力，则归因于噻吩修饰将HOMO能级提升至鸟嘌呤氧化电位之上，有效阻断光诱导电子转移。这一双机制协同作用为下一代开启型荧光核苷的理性设计提供了清晰的理论框架。

值得一提的是，^TzdU的三磷酸形式可被多种DNA聚合酶高效识别和掺入，可实现对PCR和引物延伸反应的实时、免标记监测。研究团队介绍，^TzdU是首个兼具高环境响应、序列不敏感和酶促兼容性的内在型荧光开启型核苷，填补了该领域的空白。

图1. ^TzdU在DNA中的荧光特性

值得关注的是，^TzdU独特的梯度荧光响应特性使其在DNA数据存储与分子信息加密领域展现出应用潜力。团队利用荧光强度随^TzdU掺入数量呈线性增加的特性，成功实现了基于荧光强度的“2025”数字图案和面部图像的分子级显示，首次实现了基于梯度荧光响应的DNA分子级图案显示。

在信息加密方面，团队构建了一套双层DNA加密系统：将经典诗词等信息通过算法加密生成数字密钥，利用^TzdU的梯度荧光响应，将密钥编码为特定荧光强度信号存储于DNA中；而密文则通过DNA序列编码并克隆至质粒稳定传代。解密时需同时获取荧光密钥和序列密文，由此实现了“荧光+序列”的双因子认证机制。

面向合成生命创制对遗传物质功能化、可编程的重大需求，该非天然核酸研究成功开发了首个兼具环境响应、序列不敏感和酶促兼容性的荧光核苷工具^TzdU，并在此基础上初步探索了DNA荧光显示与分子加密两大创新应用。

这不仅为合成生物学与核酸信息存储等方向提供了全新的分子工具，更开创了将荧光核苷从传统“观察工具”升级为“信息载体”的新范式，有望推动合成生物学与信息技术的深度融合，为DNA数据存储、分子加密等前沿领域提供重要的技术支撑。作为XNA研究的重要突破，该成果进一步拓展了新型非天然核酸分子在人工合成遗传系统中的应用边界，为设计“可编程、可报告、可存储”的下一代合成生命分子系统提供了新思路。

图2. ^TzdU用于可视化DNA数据加密及信息存储示意图

本研究由中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室/合成生物学研究所副研究员梅辉、成都医学院副教授明新及中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所客座研究员/华中农业大学教授黄小罗共同通讯完成。南京大学博士生李劲思（原中国科学院深圳先进技术研究院研究助理）、中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所助理研究员代子文为论文共同第一作者。许佳欣博士、研究助理何雷亦对本研究作出了重要贡献。本工作得到了科技部重点研发计划、深圳市科技计划及深圳合成生物学创新研究院等项目支持。