[发明专利]DNA中数字信息的高容量存储

说明书

本申请是分案申请，其原申请的国际申请号为PCT/EP2013/061300，国际申请日是2013年05月31日，中国国家申请号为201380028511.8，进入中国的日期为2014年11月28日，发明名称为“DNA中数字信息的高容量存储”。

技术领域

本公开涉及存储DNA中数字信息的方法和设备。

背景技术

DNA具备保持巨额数量信息的能力，易于以紧凑结构长期保存^1,2。利用DNA作为数字信息的存储器的想法自1995年³已经存在。DNA存储的物理实现迄今为止仅存储了微量的信息——典型的是少数英文文本的单词^4-8。发明人没有意识到编码在物理DNA中的大规模存储和对任意规格数字信息的还原，而非磁性基底或光学基底上的数据存储。

目前，DNA合成是集中应用于生物医药的专业技术。DNA合成的成本在过去的几十年已经稳步缩减。相比于磁带上的数据存储每过3至5年会少见但定期地转移到新介质，推断在什么时间段如本文所公开的DNA分子上的数据存储将会比其当前长期存档过程更具成本效益是有趣的。当前DNA合成的“现成”技术相当于一美元约100字节的价格。市场上可从Agilent科技(圣克拉拉，加利福尼亚州)购买的更时新的技术可能会大幅缩减该成本。然而，仍然需要建立账户，用于磁带介质之间的定期数据转移。问题是，该数据传递的成本，以及该成本是固定不变的还是随时间削减的。如果假定大量成本是固定不变的，则存在一个时间范围，其间利用DNA分子进行数据存储比常规磁带介质上的数据存储更具成本效益。在400年以后(至少80次介质转移)，利用DNA分子的数据存储可能已经具有成本效益。

本公开中描述了一种比先前使用的程序存储更多信息的实用编码解码程序。发明人已经对五个计算机文件进行编码——总共757051字节的(739kB)硬盘存储并具有约为5.2×10⁶比特的香农信息⁹——变为DNA码。发明人随后合成了该DNA，将该合成DNA从美国经英国运输到德国，对DNA进行测序并以100％的精确度重构了五个计算机文件。

该五个计算机文件包括一个英文语言文本(莎士比亚十四行诗的全部154句)，一个经典科技论文的PDF文件¹⁰，一个JPEG色彩的照片和一个MP3格式的音频文件，包含26秒的演讲(选自马丁路德金的演讲“我有一个梦想”)。该数据存储代表了近800倍于已知的先前基于DNA的存储的信息量，并涵盖了更丰富的数字格式。结果证明，DNA存储正逐渐成为现实，并可以在未来提供有成本效益的数字信息存档方法，且用于慢速存取、多年代存档任务可能已经具有成本效益。

现有技术

在易于获取的情况下^1,2，自1995年以来³，稳定存储信息的DNA高容量已经使得DNA成为极具吸引力的信息存储目标。除信息密度之外，DNA分子作为信息载体具有已证实的业绩记录，DNA分子的寿命已知，且事实上作为地球生命的基础，只要有基于DNA的智能生命体存在^1,2，操作、存储和读取DNA分子的方法将依然是持续技术创新的主题。基于活性载体DNA^5-8(在活体(in vivo)DNA分子中)和合成DNA^4,1(在离体(in vitro)DNA中)的数据存储系统已经被提出。在活体内的数据存储系统具有若干缺陷。这些缺陷包括对数量、染色体成分和在活性载体有机体中可操作而不影响DNA分子生存力的位置的限制。此种活性载体有机体的示例包括但不限于细菌。生存力的下降包括容量的缩减和信息编码方案的复杂度的增加。此外，胚系突变和体细胞突变将引发所保存信息的保真度和解码信息随时间下降，并可能引发对活DNA存储条件细致监管的需求。

相比之下，“分离的DNA”(即，离体DNA)更易于“写入”，且对几万年前^11-14的样本的非活DNA实例进行的例行还原显示，在易于获取且少量维护的环境下(即，寒冷，干燥和黑暗的环境)^15-17，良好制备的非活DNA样本应具有格外长的生命期限。