[发明专利]一种基于脉冲直流电压的电化学DNA合成方法

说明书

本发明公开了一种基于脉冲直流电压的电化学DNA合成方法，包括以下步骤：在电极表面进行羟基化修饰，得到修饰电极；将亚磷酰胺合成单体与活化剂混合而成的活性中间体与修饰电极上的羟基活性位点进行偶联，形成亚磷酸三酯键；用无水乙腈冲洗修饰电极后，将氧化剂滴加在修饰电极上进行氧化，亚磷酸三酯键被氧化剂氧化为稳定的磷酸酯键；采用电化学脱保护将DMT保护基团脱去，以暴露出羟基活性位点，用于下一个碱基的添加；重复以上步骤，进行寡核苷酸序列的合成。本发明电化学脱保护步骤中氢离子的生成更加均匀，可以在减缓金电极金层脱落、延长金电极使用寿命的同时，保障和提高DNA的合成质量。

技术领域

本发明涉及DNA合成方法，具体为一种基于脉冲直流电压的电化学DNA合成方法。

背景技术

如今，地球上的人们正处于一个信息爆炸的时代。我们每天都在接收着数以万计的信息、产生着许许多多的数据。信息时代下，存储需求与日俱增，倒逼着存储能力的升级。每天呈指数型上升的信息存储需求与当前信息存储介质、手段、能力不能满足这种需求以及信息保存、设备维护等费用高昂之间的矛盾尤为突出。纵观人类历史，充当过存储介质的东西数不胜数，这一方面是人类智慧的体现，另一方面也显示出了信息存储的必要性和重要性。从公元前62000年，人们在洞穴里面凭借画画这一极其原始、传统的技能来记录事情、存储信息；到公元前400年“文字”的发明，再到公元前170年造纸术、印刷术的发明，再到1960年计算机存储芯片的问世，再到如今新兴的DNA存储这一概念被提出和证实(Goldman,Bertone et al.2013)，存储介质几经更新，几经迭代。存储介质的更迭是大势所趋，但是呈指数型上升的海量数据存储需求究竟能不能得到满足，还是得看新兴技术的发展与前沿科学的突破。

DNA存储被业界寄予了厚望，其具有介质耐久性好、维护简单、格式不变性好、密度高、能源效率高、可持续性高、成本低等一系列常规存储介质难以匹敌的优势，尤其适用于存储诸如政府文件等的冷数据(Xu,Zhao et al.2021)。DNA存储主要由以下六个关键步骤构成，即编码；合成；存储；检索；测序；解码。由于DNA合成步骤繁琐、价格高昂，这大大降低了DNA存储能够得到实际应用的可能性。

迄今为止，DNA合成技术已经经历了三代的更迭，从经典的化学合成法，也就是固相亚磷酰胺化学法，到微阵列DNA合成法，再到酶合成法。由于酶合成法尚不成熟，所以目前科研工作者正在攻关的和被业界寄予厚望的是微阵列DNA合成法。经典的化学合成法一共包含四个步骤，即去封闭(脱保护)；活化偶联；盖帽；氧化。微阵列DNA合成法便是在经典的化学合成法的基础之上改进而来的，其主要是在“脱保护”这一步骤进行了改进，改进之处一是原位合成，二是(多通道)并行合成。

目前全球已有的新一代DNA合成技术主要有光刻掩膜、喷墨打印、电化学阵列这三种技术。其中光刻掩膜可分为掩膜光刻合成和无掩膜光刻合成两种类型，喷墨打印技术的代表为Agilent公司，电化学阵列技术主要由Custom Array公司拥有，并且其具有垄断地位。目前，市场上的主流还是喷墨打印技术，主要是因为电化学阵列技术中的电刺激会对碱基(核苷酸)的合成产生影响，对碱基造成损伤，产生诸如脱嘌呤的副作用，进而影响最终产物的正确性、纯度，也就是合成效率，进而导致合成成本进一步攀升。

电化学阵列技术一般采用金属材料(例如贵金属金、铂等)作为电极材料来起导电以及载体的作用。一方面，可以利用金-硫键来进行载体-基团的连接(White,Dorfman etal.2015)；另一方面，金属电极通过导电进行电子传输，催化电解液在金属电极的周围原位产酸。研究发现，在电解产酸的过程中，在电解液环境下，金属电极会发生极为明显的腐蚀现象。一方面，电极需要重复利用、循环使用以降低合成成本；另一方面，如果电极发生哪怕非常轻微的腐蚀(损伤)，对DNA的合成质量也会造成非常大的影响，导致合成出来的产物纯度大大降低，影响实验的进行或者向客户的交付。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种延长电极使用寿命、产物纯度高、工作稳定性好的基于脉冲直流电压的电化学DNA合成方法。