[发明专利]用于DNA数据存储的方法和系统在审

专利信息
申请号: 201880016800.9 申请日: 2018-01-10
公开(公告)号: CN110431148A 公开(公告)日: 2019-11-08
发明(设计)人: 巴利·L·迈瑞曼;蒂姆·吉索;保罗·莫拉 申请(专利权)人: 罗斯威尔生命技术公司
主分类号: C07K14/31 分类号: C07K14/31;C12N9/12;C12N9/96;G01N27/26;G01N27/327
代理公司: 北京英赛嘉华知识产权代理有限责任公司 11204 代理人: 王达佐;洪欣
地址: 美国加利*** 国省代码: 美国;US
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摘要:
搜索关键词: 核苷酸序列 传感器 分子电子 解读 分子复合物 成组信息 读出装置 电极 信息存储系统 电子电路 桥联分子 探针分子 写入装置 解码 电参数 存储 合成
【说明书】:

在各个实施例中,一种信息存储系统包括:写入装置,用于合成对成组信息编码的核苷酸序列;读出装置,用于解读核苷酸序列,通过将所解读的核苷酸序列解码为成组信息实现,其中读出装置包括分子电子传感器,该传感器包括一对分开的电极和附接到每个电极的分子复合物以形成分子电子电路,其中分子复合物包括桥联分子和探针分子,并且其中分子电子传感器产生当解读核苷酸序列时在分子电子传感器的可测的电参数中的能够辨别的信号。

相关申请的交叉引用

本申请要求对于美国临时专利申请序列No.62/444,656(2017年1月10日提交,名称为“用于DNA数据存储的方法、设备和系统”)和美国临时专利申请序列No.62/547,692(2017年8月18日提交,名称为“用于DNA数据存储的分子电子传感器”)的优先权和权益,上述文献的公开内容在此通过引用全文并入本文。

技术领域

本公开内容整体涉及电子数据存储和取回,更特别地涉及一种DNA(脱氧核糖核酸)信息存储和取回系统,包括:用于读出DNA序列的分子传感器、和用于DNA序列二进制转换的编码器/解码器算法。

背景技术

20世纪数字计算机的到来形成对大量数字或二进制数据档案存储的需要。档案存储意在长期装容数据,例如几年、几十年或更长时间,采取成本极低且支持再次访问数据的稀少需要的方式。虽然档案存储系统的特征可以是能够以极低成本保持无限量数据,例如通过能够长期维持休眠的物理存储介质实现,不过这种系统中的数据写入和恢复可能相对较慢或者在其他方面处理成本高。目前已经开发出的档案数字数据存储的主流形式包括:磁带,和更近的光盘(CD)。不过,随着数据产生增长,需要更高密度、更低成本、更长持续时间的档案数字数据存储系统。

已发现,在生物学中,活体基因组DNA用作数字信息档案存储的形式。在物种存在的时间规模上(可延续几千至几百万年),基因组DNA实际上存储了限定物种的基因生物信息。在生物学、物种繁殖和生存中实施的复杂的酶生物化学过程提供了写入、读出和保持这种信息档案的手段。此发现激发如下思路:DNA的基本信息存储能力可用作更通用形式的数字信息的高密度、长时间档案存储的基础。

DNA用于信息存储的吸引力在于:由于分子规模的信息存储产生极高信息密度。在理论上,例如,目前记录的所有人类产生的数字信息估计约为1ZB(泽字节)(~1021字节),可记录在少于1022个DNA碱基(或1摩尔DNA碱基的1/60)中,其将具有仅10克的质量。除了高数据密度以外,DNA还是非常稳定的分子,其可易于持续数千年而没有实质损坏,并可能可持续更长时间,几千年或甚至几百万年,例如天然观察到的在冻土中冻结的或在琥珀中包封的DNA。

发明内容

在各种实施例中,公开一种信息存储系统。在各个方案中,该系统包括:DNA读出装置,数字数据编码/解码算法,DNA写入装置,其中这三种元件的性能共同优化以最小化或减小各种成本指标和增强整体系统性能。在各个方案中,共同优化可包括:通过平衡、避免或校正DNA读出和写入错误而减少系统错误率。在其他情况下,共同优化可包括:减少系统中的DNA读出或写入时间,例如通过避免使用较慢速度的DNA序列基序、和/或通过使用错误校正/避免以补偿由于系统快速操作导致的错误而实现。

在本公开内容的各个实施例中,设置DNA数据读出器用于DNA数据存储系统中。特别地,设置分子传感器,其可提取被适合编码到单个DNA分子内的数字信息。在特定方案中,这样的传感器可为基于高密度芯片的格式,可提供大规模DNA数据存储系统所需的高输出、低成本、快速数据提取能力。在各个示例中,用于读出DNA分子中存储数字数据的传感器直接处理各个编码DNA分子,使得不需要复杂的样本制备,例如制造DNA拷贝或克隆种群。在系统的各个方案中,数据直接存储在合成DNA或DNA类似物(通过有益于数字数据存储的特征合成,不能通过标准的DNA拷贝方法复制)中。

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