[發(fā)明專利]DNA中數(shù)字信息的高容量存儲

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380028511.8
• 申請日: 2013-05-31
• 公開（公告）號: CN104520864B
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發(fā)明（設計）人: 尼克·高曼;約翰·伯尼
• 申請（專利權）人: 歐洲分子生物學實驗室
• 主分類號: G06F19/22
• 分類號: G06F19/22;G06N3/12
• 代理公司: 北京市磐華律師事務所11336
• 代理人: 董巍,謝栒

技術領域

本公開涉及存儲DNA中數(shù)字信息的方法和設備。

背景技術

DNA具備保持巨額數(shù)量信息的能力，易于以緊湊結構長期保存^1,2。利用DNA作為數(shù)字信息的存儲器的想法自1995年³已經(jīng)存在。DNA存儲的物理實現(xiàn)迄今為止僅存儲了微量的信息——典型的是少數(shù)英文文本的單詞^4-8。發(fā)明人沒有意識到編碼在物理DNA中的大規(guī)模存儲和對任意規(guī)格數(shù)字信息的還原，而非磁性基底或光學基底上的數(shù)據(jù)存儲。

目前，DNA合成是集中應用于生物醫(yī)藥的專業(yè)技術。DNA合成的成本在過去的幾十年已經(jīng)穩(wěn)步縮減。相比于磁帶上的數(shù)據(jù)存儲每過3至5年會少見但定期地轉(zhuǎn)移到新介質(zhì)，推斷在什么時間段如本文所公開的DNA分子上的數(shù)據(jù)存儲將會比其當前長期存檔過程更具成本效益是有趣的。當前DNA合成的“現(xiàn)成”技術相當于一美元約100字節(jié)的價格。市場上可從Agilent科技(圣克拉拉，加利福尼亞州)購買的更時新的技術可能會大幅縮減該成本。然而，仍然需要建立賬戶，用于磁帶介質(zhì)之間的定期數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。問題是，該數(shù)據(jù)傳遞的成本，以及該成本是固定不變的還是隨時間削減的。如果假定大量成本是固定不變的，則存在一個時間范圍，其間利用DNA分子進行數(shù)據(jù)存儲比常規(guī)磁帶介質(zhì)上的數(shù)據(jù)存儲更具成本效益。在400年以后(至少80次介質(zhì)轉(zhuǎn)移)，利用DNA分子的數(shù)據(jù)存儲可能已經(jīng)具有成本效益。

本公開中描述了一種比先前使用的程序存儲更多信息的實用編碼解碼程序。發(fā)明人已經(jīng)對五個計算機文件進行編碼——總共757051字節(jié)的(739kB)硬盤存儲并具有約為5.2×10⁶比特的香農(nóng)信息⁹——變?yōu)镈NA碼。發(fā)明人隨后合成了該DNA，將該合成DNA從美國經(jīng)英國運輸?shù)降聡瑢NA進行測序并以100％的精確度重構了五個計算機文件。

該五個計算機文件包括一個英文語言文本(莎士比亞十四行詩的全部154句)，一個經(jīng)典科技論文的PDF文件¹⁰，一個JPEG色彩的照片和一個MP3格式的音頻文件，包含26秒的演講(選自馬丁路德金的演講“我有一個夢想”)。該數(shù)據(jù)存儲代表了近800倍于已知的先前基于DNA的存儲的信息量，并涵蓋了更豐富的數(shù)字格式。結果證明，DNA存儲正逐漸成為現(xiàn)實，并可以在未來提供有成本效益的數(shù)字信息存檔方法，且用于慢速存取、多年代存檔任務可能已經(jīng)具有成本效益。

現(xiàn)有技術

在易于獲取的情況下^1,2，自1995年以來³，穩(wěn)定存儲信息的DNA高容量已經(jīng)使得DNA成為極具吸引力的信息存儲目標。除信息密度之外，DNA分子作為信息載體具有已證實的業(yè)績記錄，DNA分子的壽命已知，且事實上作為地球生命的基礎，只要有基于DNA的智能生命體存在^1,2，操作、存儲和讀取DNA分子的方法將依然是持續(xù)技術創(chuàng)新的主題。基于活性載體DNA^5-8(在活體(in vivo)DNA分子中)和合成DNA^4,1(在離體(in vitro)DNA中)的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)已經(jīng)被提出。在活體內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)具有若干缺陷。這些缺陷包括對數(shù)量、染色體成分和在活性載體有機體中可操作而不影響DNA分子生存力的位置的限制。此種活性載體有機體的示例包括但不限于細菌。生存力的下降包括容量的縮減和信息編碼方案的復雜度的增加。此外，胚系突變和體細胞突變將引發(fā)所保存信息的保真度和解碼信息隨時間下降，并可能引發(fā)對活DNA存儲條件細致監(jiān)管的需求。

相比之下，“分離的DNA”(即，離體DNA)更易于“寫入”，且對幾萬年前^11-14的樣本的非活DNA實例進行的例行還原顯示，在易于獲取且少量維護的環(huán)境下(即，寒冷，干燥和黑暗的環(huán)境)^15-17，良好制備的非活DNA樣本應具有格外長的生命期限。