[发明专利]用于无扩增DNA数据存储的方法、装置和系统

说明书

在各种实施方式中，公开了无扩增DNA信息方法、装置和系统。一种无扩增信息存储和检索的方法包括使用编码方案将诸如二进制之类的数字数据编码为核苷酸序列基序，以及使用无扩增DNA写入过程合成复制DNA分子。解码存储在DNA中的信息的无扩增过程包括将复制的DNA分子中的至少一个分子暴露于分子电子传感器，该传感器在传感器的测量电参数中生成可识别信号，其中可识别信号对应于序列基序，提供对数字数据的解码。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月10日提交的、名称为“无扩增DNA数据存储的方法、装置和系统”的美国临时专利申请号62/570,458的优先权和权益，其公开内容通过引用全部并入本文。

技术领域

本公开整体上涉及电子数据存储和检索，并且更具体地涉及使用DNA分子存储和检索数字数据的无扩增DNA信息存储和检索系统。

背景技术

20世纪数字计算的出现产生了对大量数字或二进制数据进行档案存储的需求。档案存储旨在以非常低的成本长期(例如数年、数十年或更长时间)存储数据，并且支持较少地需要再次访问数据。尽管档案存储系统可能具有以非常低的成本保存无限数量的数据的功能，例如通过能够长时间保持休眠状态的物理存储介质实现，但在这种系统中数据写入和恢复可能相对流程缓慢，或者否则成本高昂。迄今为止，已开发的档案数字数据存储的主要形式包括磁带以及最近的紧凑型光盘(CD)。然而，随着数据产生的增长，需要更高的密度、更低的成本以及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，活生物体的基因组DNA作为数字信息档案存储的形式。在物种可能存在数千到数百万年的时间尺度上，基因组DNA实际上存储了定义该物种的遗传生物学信息。该生物所体现的复杂的酶促生化过程、物种的繁殖和生存提供了写入、读出和维护该信息档案的方式。此发现激发了如下思路：即可以利用DNA的基本信息存储能力作为更通用的数字信息的高密度、长时档案存储的基础。

DNA用于信息存储的吸引力在于：分子规模的信息存储产生极高的信息密度。例如，理论上，迄今记录的所有人类产生的数字信息(估计约为1ZB(泽字节，ZettaByte)(～10²¹字节))可以记录在少于10²²个DNA碱基或1/60摩尔的DNA碱基中，其质量仅为10克。除了高数据密度外，DNA还是非常稳定的分子，可以很容易地保持数千年而没有实质损坏，并且可能持续更长的时间，长达数万年，甚至数百万年，例如天然观察到的永久冻土中冻结的DNA或琥珀包封的DNA。

尽管存在这些吸引力，但由于合成DNA分子时分子结构错误的许多来源，分子的丢失/降解以及用于对分子进行测序的DNA测序仪进行信号检测的限制，使用单个DNA分子进行数字信息存储和检索可能仍然效率低下甚至无法实现。因此，经常提出引入扩增以提供更多分子参与所有这些过程。然而，扩增将增加DNA信息系统的成本、时间和操作复杂性。因此，需要的是一种特定的方法，该方法单独或共同消除了构成DNA数据存储系统的各种方法中对扩增步骤的需要。

发明内容

在各种实施方式中，公开了无扩增DNA信息存储和检索系统。在各个方面，该系统包括DNA读出装置、数字数据编码/解码算法和DNA写入装置，其中这三种元件的性能被共同优化以最小化或减少各种成本指标并提高整体系统性能。在各个方面，共同优化可以包括：通过平衡、避免或校正DNA读取和写入中的错误来降低系统的错误率。在其他情况下，共同优化可以包括：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/避免来补偿由于系统的快速运行的错误从而减少系统中DNA的读取或写入时间。