[發明專利]一種基于固相化學合成法合成DNA存儲所需文本的方法

有效

• 申請號: 202011005570.1
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112079893B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 劉全俊;閆漢;張振;朱立博
• 申請（專利權）人: 南京原碼科技合伙企業（有限合伙）;東南大學深圳研究院
• 主分類號: C07H21/04
• 分類號: C07H21/04;C07H1/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 施婷婷;李湘群

本發明提供了一種基于固相化學合成法合成DNA存儲所需文本的方法，該方法在原有的固相亞磷酸酰胺三脂法上進行了改善，通過去除原方法當中的Capping(蓋帽)步驟，簡化了DNA化學合成步驟，縮短了整體合成所需要的時間和成本。此外，合成后的DNA文本無需進行純化步驟這又進一步地減少了工作量和整個流程的耗費。該方法增加了載體上DNA文本的合成數量，極大地提高了單位面積上的存儲容量。在讀取過程中該合成方法合成的DNA文本鏈之間存在一個可相互糾正的容錯機制，通過高通量并行讀取方式來提高讀取的準確率。最后，在合成載體的選擇方面該合成方法對合成載體沒有特殊要求，通用的載體都可被用來進行DNA文本的合成。

技術領域

本發明屬于DNA存儲技術領域，具體涉及一種基于固相化學合成法合成DNA存儲所需文本的方法。

背景技術

互聯網和人工智能的快速發展，人類已經進入大數據時代。幾何級數增長的數據量已經超出了現有存儲器存儲容量的極限，傳統的存儲器件如：磁性存儲(磁帶，硬盤驅動器)、光學存儲(藍光)和固態存儲(閃存)的存儲能力已經無法滿足急劇增長的存儲需求。并且這些傳統的存儲介質在存儲密度、保存時間、維護成本方面都存在不同程度的缺陷。因此，有別于傳統的存儲介質亟待需要被開發。

核酸(nucleic acid)是生物體遺傳信息的主要載體，其蘊含著生物體生長、發育、進化、衰老、死亡的信息。核酸是自然界中天然的存儲信息的載體，正是由于其穩定的信息存儲，才使得億萬年來生命得以延續。正是具有天然的存儲信息的優勢，加之大多數的真核生物遺傳物質為DNA，所以DNA存儲慢慢被人們所關注。上世紀60年代Wiener和Neiman就提出過有關概念，但受限于當時合成和測序技術，此后的二十年間未有大的進展。直到Davis將“female Earth”編碼并利用DNA存儲技術將其轉化為一幅存儲容量為35bit的圖像，該技術才再次受到研究者的廣泛關注。近年來DNA存儲發展迅速，相較于傳統的存儲介質，DNA存儲具有以下幾方面的優點：(1)存儲密度高，DNA的存儲密度高達10⁹GB/mm³，比傳統的存儲介質高6個數量級。(2)保存壽命極長，研究表明DNA在-5℃時每6830000年只降解1bp，與目前的數據存儲技術相比，DNA存儲的信息能夠被保存到成百上千年。(3)易于復制，目前而言PCR技術可以短時間低成本的復制大量的副本，這些都更有利于對即將過期的存儲信息的維護。傳統的存儲介質在這方面耗費極大。

DNA存儲包括存儲信息的編碼、合成相應序列的DNA、信息存儲、檢索、測序、譯碼六個流程。信息的編碼：將四種堿基組成的DNA序列信息轉化成計算機的二進制語言信息0和1；DNA合成：利用各種DNA合成手段合成已經編碼好的DNA序列；信息存儲：將合成好的DNA序列存儲于合適的載體上；信息檢索：根據堿基對的特異性互補配對，索引相關序列的DNA鏈；測序：對索引出的DNA鏈進行序列信息檢測以得到相應的序列信息；譯碼：根據對應的編碼規則對其進行解碼，得到相應的存儲信息(如圖1所示)。

基于固相亞磷酸酰胺三脂法的DNA化學合成，由四個反應步驟構成一個循環完成一個單體的合成，也就是說每增加一個循環，即在固體載體上不斷增長的寡核苷酸鏈上增加一個堿基。其每個循環中包含的四個反應步驟具體為：第一個步驟中，連接在固相載體(一般為Au、Pt、Si、SiN_x、控孔玻璃珠(CPG)或聚苯乙烯微球(PS)等)上，5’端羥基被二甲氧基三苯甲基(DMT)保護的核苷酸(通常包含在一個合成柱內)通過加入三氯乙酸而去保護，從而獲得游離的5'-羥基端，以供下一步合成反應，使DNA鏈在原有基礎上增加一個單體。在第二個步驟中，將亞磷酰胺單體與四氮唑活化劑混合進入合成柱，形成亞磷酸酰胺四唑活性中間體(其5'端仍受DMT保護，3'端被活化)。第三個步驟為在序列中與先前連接在固相載體上核苷的5'-羥基發生偶聯反應、形成亞磷酸三酯，從而使合成序列鏈向前延長一個堿基。第四個步驟為，采用碘的四氫呋喃溶液將不穩定，易被酸、堿水解亞磷酸酯鍵，轉化為穩定的五價磷酸酯鍵。經過上述同樣的循環步驟，即可得到存儲所需的DNA文本樣品。