[发明专利]磁性纳米颗粒上的二氧化硅包封的DNA

说明书

公开了一种数据存储介质，包括覆盖有多阳离子分子和编码数字信息的人工合成的DNA分子的交替层的基材。磁性基材可以是从例如铁或钴的金属形成的金属纳米颗粒。多阳离子分子可以是聚乙烯亚胺(PEI)。该DNA通过包封在二氧化硅中而被保护免受降解。还公开了用于稳定地存储DNA的方法。通过用氟化氢缓冲溶液洗涤二氧化硅涂覆的DNA，可以从二氧化硅释放出存储的DNA用于测序或其他分析。在纳米颗粒上实现了按重量计超过7％DNA的存储密度。

背景技术

数字信息的体量正以指数速率增长。数字信息量的这一巨大增长可能会超过常规存储技术的能力。一种用于存储大量数字信息的有前途的技术是脱氧核糖核酸(DNA)。DNA是众所周知的可以存储遗传信息的分子。然而，DNA也可以用作数字信息的存储介质。多个不同的小组已成功地将计算机文件转换为核苷酸碱基的串，创建了编码该串的合成DNA，对合成DNA进行了测序，然后以100％的精度恢复了原始数字信息。

作为存储介质，DNA在信息密度和稳定性方面相对于常规光学和磁性介质具有潜在优势。使用DNA进行存储可以实现每克超过200拍字节(即2亿吉字节)的数据密度，这比利用常规介质所可能达到的密度要高得多。使用DNA，世界上所有的数字信息都可以存储在单个房间中。DNA还可以提供更好的长期存储。磁性和光学介质可在5到10年内损坏。然而，可读性DNA已从数十万年前的化石中恢复。

然而，DNA的寿命取决于存储条件。DNA容易因热、酶、诱变化学物质和电离辐射而降解。当存储在溶液中时，DNA可以稳定大约10年，这与其他存储介质的时间尺度相同。提供长期稳定性和高数据密度的存储技术改善了DNA作为数字信息存储介质的可用性。

发明内容

本公开提供了通过包封在二氧化硅中来稳定地存储DNA的结构和方法。DNA被吸附到基材上，该基材提供了可以与DNA一起包入二氧化硅中的结构。基材可以具有任何形状，包括但不限于球形或平坦表面。在一种实施方式中，基材是纳米颗粒。将DNA包入二氧化硅中可涉及多个步骤，并且可以通过使用磁力从溶液或上清液中分离DNA来辅助物理处理。因此，基材可以被磁化。基材可具有强的饱和磁化强度，例如，每克大于50个电磁单位(EMU)。金属可具有强的饱和磁化强度。在一个实施方式中，基材可以是例如铁(Fe)、钴(Co)或镍(Ni)的金属。可以例如通过添加碳和/或带电的有机基团来使基材的表面层官能化。在一个实施方式中，基材的官能化可以将负电荷赋予其表面，从而产生带负电荷的磁性基材。

二氧化硅包封可以通过将DNA暴露于四烷氧基硅烷如正硅酸四乙酯(TEOS)来执行。将DNA暴露于含二氧化硅的化合物可以持续延长的时间段，例如数小时或数天。在二氧化硅中包封可保护DNA免受DNA降解剂(例如活性氧物种(ROS))。在二氧化硅中包封可以将DNA密封在玻璃下，从而保护其免受化学侵蚀、高温和潮湿。这增加了DNA的耐用性，并且使其成为长期存储数字信息的可行介质。

通过在基材上产生多层DNA来增加DNA密度。DNA是带负电荷的分子，并且可以与多阳离子分子(例如多阳离子聚合物)一起层叠。如本文所用，“多阳离子分子”是指具有三个或更多个可潜在地带正电荷的分开的位点的分子。在一个实施方式中，多阳离子分子是聚乙烯亚胺(PEI)。DNA和多阳离子分子的多个交替层可以被吸附到基材的表面。与仅具有单层DNA的基材相比，多层DNA增加了每单位体积或重量可以存储的DNA量。在使用涂覆有四层DNA的纳米颗粒的实施方式中，密度可以超过按重量计7％DNA。在平坦表面(例如2D结构)上的多层DNA可以达到约400-500ng/cm²的加载。

存储后，可通过与溶解二氧化硅而不损害DNA的蚀刻溶液接触来从二氧化硅包封中释放DNA。在一个实施方式中，蚀刻溶液是缓冲氟化氢溶液。一旦从包封中释放，就将pH调整为中性(例如6-8)，并添加多阴离子分子以从多阳离子分子中置换DNA。然后可以对DNA测序或以其他方式处理。DNA中核苷酸碱基的序列可以被解码以获得存储的数字信息。

在本公开中描述的这些结构和技术可应用于存储编码数字信息的合成DNA，但是同样适于存储天然存在的DNA。