[发明专利]一种基于固相化学合成法合成DNA存储所需文本的方法

说明书

本发明提供了一种基于固相化学合成法合成DNA存储所需文本的方法，该方法在原有的固相亚磷酸酰胺三脂法上进行了改善，通过去除原方法当中的Capping(盖帽)步骤，简化了DNA化学合成步骤，缩短了整体合成所需要的时间和成本。此外，合成后的DNA文本无需进行纯化步骤这又进一步地减少了工作量和整个流程的耗费。该方法增加了载体上DNA文本的合成数量，极大地提高了单位面积上的存储容量。在读取过程中该合成方法合成的DNA文本链之间存在一个可相互纠正的容错机制，通过高通量并行读取方式来提高读取的准确率。最后，在合成载体的选择方面该合成方法对合成载体没有特殊要求，通用的载体都可被用来进行DNA文本的合成。

技术领域

本发明属于DNA存储技术领域，具体涉及一种基于固相化学合成法合成DNA存储所需文本的方法。

背景技术

互联网和人工智能的快速发展，人类已经进入大数据时代。几何级数增长的数据量已经超出了现有存储器存储容量的极限，传统的存储器件如：磁性存储(磁带，硬盘驱动器)、光学存储(蓝光)和固态存储(闪存)的存储能力已经无法满足急剧增长的存储需求。并且这些传统的存储介质在存储密度、保存时间、维护成本方面都存在不同程度的缺陷。因此，有别于传统的存储介质亟待需要被开发。

核酸(nucleic acid)是生物体遗传信息的主要载体，其蕴含着生物体生长、发育、进化、衰老、死亡的信息。核酸是自然界中天然的存储信息的载体，正是由于其稳定的信息存储，才使得亿万年来生命得以延续。正是具有天然的存储信息的优势，加之大多数的真核生物遗传物质为DNA，所以DNA存储慢慢被人们所关注。上世纪60年代Wiener和Neiman就提出过有关概念，但受限于当时合成和测序技术，此后的二十年间未有大的进展。直到Davis将“female Earth”编码并利用DNA存储技术将其转化为一幅存储容量为35bit的图像，该技术才再次受到研究者的广泛关注。近年来DNA存储发展迅速，相较于传统的存储介质，DNA存储具有以下几方面的优点：(1)存储密度高，DNA的存储密度高达10⁹GB/mm³，比传统的存储介质高6个数量级。(2)保存寿命极长，研究表明DNA在-5℃时每6830000年只降解1bp，与目前的数据存储技术相比，DNA存储的信息能够被保存到成百上千年。(3)易于复制，目前而言PCR技术可以短时间低成本的复制大量的副本，这些都更有利于对即将过期的存储信息的维护。传统的存储介质在这方面耗费极大。

DNA存储包括存储信息的编码、合成相应序列的DNA、信息存储、检索、测序、译码六个流程。信息的编码：将四种碱基组成的DNA序列信息转化成计算机的二进制语言信息0和1；DNA合成：利用各种DNA合成手段合成已经编码好的DNA序列；信息存储：将合成好的DNA序列存储于合适的载体上；信息检索：根据碱基对的特异性互补配对，索引相关序列的DNA链；测序：对索引出的DNA链进行序列信息检测以得到相应的序列信息；译码：根据对应的编码规则对其进行解码，得到相应的存储信息(如图1所示)。

基于固相亚磷酸酰胺三脂法的DNA化学合成，由四个反应步骤构成一个循环完成一个单体的合成，也就是说每增加一个循环，即在固体载体上不断增长的寡核苷酸链上增加一个碱基。其每个循环中包含的四个反应步骤具体为：第一个步骤中，连接在固相载体(一般为Au、Pt、Si、SiN_x、控孔玻璃珠(CPG)或聚苯乙烯微球(PS)等)上，5’端羟基被二甲氧基三苯甲基(DMT)保护的核苷酸(通常包含在一个合成柱内)通过加入三氯乙酸而去保护，从而获得游离的5'-羟基端，以供下一步合成反应，使DNA链在原有基础上增加一个单体。在第二个步骤中，将亚磷酰胺单体与四氮唑活化剂混合进入合成柱，形成亚磷酸酰胺四唑活性中间体(其5'端仍受DMT保护，3'端被活化)。第三个步骤为在序列中与先前连接在固相载体上核苷的5'-羟基发生偶联反应、形成亚磷酸三酯，从而使合成序列链向前延长一个碱基。第四个步骤为，采用碘的四氢呋喃溶液将不稳定，易被酸、碱水解亚磷酸酯键，转化为稳定的五价磷酸酯键。经过上述同样的循环步骤，即可得到存储所需的DNA文本样品。