JP2020522257A - ホモポリマーコード化核酸メモリ - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国仮特許出願第62/513,111号(2017年5月31日出願)の利益および優先権を主張し、その内容は、その全体において本明細書に参考として援用される。
本発明は、ホモポリマートラクトを含む核酸メモリ鎖においてデータを記憶するための方法および装置に関する。
DNAデジタル記憶は、DNAの塩基配列を使用してデジタルデータを表し、そのデータをコードする塩基配列に相当するポリヌクレオチドのDNA合成を経てそのデータを記憶するというプロセスである。DNAデジタル記憶は、従来のデータ記憶方法を超えるいくつかの利点を提供し、何百億ドル単位の市場を標的にしている。フラッシュメモリを含み、磁気テープ上に記録することを含む従来のデータ記憶方法は、物理的空間要件、希少資源に対する信頼性、およびデータ完全性に関する問題を提示する。DNAデジタル記憶は、遙かにより大きなデータ記憶密度と顕著に低いエネルギー要件とを提供する。現行の方法は、DNAにおいてコードされるデータを正確に読み取るために、許容誤差がほとんどない高忠実度配列決定技術に依拠する。その要求される配列決定法は、忠実度要件を満たすには、比較的遅くかつ高価である。現行のDNAデジタル記憶技術の例は、米国特許第9,384,320号(Church, et al.)(本明細書に参考として援用される)に記載される。配列決定忠実度を増大するために、現行の方法(例えば、Churchによって記載されるもの)は、読み取りおよび書き込みが困難である特徴(例えば、配列反復)を回避する配列を使用してデータをコードする。
現行のDNAデジタル記憶技術の合成側は、速度の欠如、毒性副生成物の生成、および高コストによってその技術の採用をさらに限定する。大部分のデノボ核酸配列は、天然の(または非天然の)核酸塩基に相当するホスホロアミダイト試薬から構築される配列の連続的脱保護および合成を包含する固相ホスホロアミダイト技術技術を使用して合成される。アレイベースのフォーマット上でのインクジェット合成は、非常に低コストホスホロアミダイト合成が可能である一方で、作製される鎖は、100〜200塩基長に限定され、インデックス配列に長さのうちのいくらかを犠牲にしなければならず、その後のリードアウトのための十分な材料を提供するために、合成後増幅を要求するフェムトモル未満のスケールで作製される。従来の合成技術を使用すると、200塩基対(bp)長より大きな核酸は、高い割合の破損および副反応を経験する。さらに、従来の合成技術は、毒性副生成物を生成し、この廃棄物の廃棄は、核酸合成機の利用可能性を制限し、オリゴ生成のコストを増大させる。合成に関するこれらの複雑性およびDNAデジタル記憶におけるリードアウトは、他の点での有望な技術のための適用を制限している。
本発明は、デジタルデータをコードするホモポリマートラクトの配列を使用してデータを記憶するためのシステムおよび方法を提供する。反復塩基(例えば、2〜10ヌクレオチド)のホモポリマートラクトを使用して上記データ配列において各ビットを表すと、よりハイスループットかつより安価な配列決定技術を使用することが可能になる。上記配列リードは、ホモポリマートラクト間の遷移を区別することにのみ依拠し、各個々のヌクレオチドの正確なリードを要求しないので、配列決定技術(例えば、ナノポア配列決定法、ゼロモード導波路(ZMW)単一分子配列決定(zero−mode waveguide (ZMW) single molecule sequencing)、および質量分析法)は、速度を増大しかつコストを低減するために使用され得る。
本発明は、デジタルデータのユニットに相当するホモポリマートラクトを有する核酸からのデータを書き込み、データを読み取るためのシステムおよび方法を提供する。そのデータコード化配列における各ヌクレオチドを(例えば、3〜10回)反復することによって、ホモポリマートラクトとの間の遷移のみが、核酸データ記憶におけるより安価な実行を生じ得るより低い忠実度、よりハイスループットの配列決定技術を可能にする配列決定リードにおいて観察されるために必要である。核酸ホモポリマートラクトメモリ鎖を合成することの利点は、以下である:1)非常に長い(5〜10kb)鎖を作製する能力があり、これは、ハイスループット、リードアウトのための長リードDNA配列決定技術の使用を可能にすること、2)配列決定リードアウト技術におけるエラーを許容できること、および3)従来の化学的合成法のものより遙かに少ないコストで核酸メモリ鎖を作製できること。ホモポリマー核酸メモリ鎖の使用は、テンプレート非依存的TdT酵素またはポリメラーゼθを使用して効率的に生成され得る長い(例えば、5〜10kb)鎖において最良に実現され、ここでホモポリマートラクト長は、曝露時間およびdNTP 対 ポリヌクレオチドメモリ鎖比を質変化させることによって制御され得る。
他の文書(例えば、特許、特許出願、特許公報、学術雑誌、書籍、論文、ウェブコンテンツ)への言及および引用は、本開示全体を通じて行われている。全てのこのような文書は、全ての目的のためにそれらの全体において本明細書で参考として援用される。
本発明の種々の改変およびその多くのさらなる実施形態が、本明細書で示されかつ記載されるものに加えて、本文書の全ての内容(本明細書で引用される科学文献および特許文献への言及を含む)から当業者に明らかになる。本明細書の主題は、その種々の実施形態およびその均等物において本発明の実施に適合され得る重要な情報、例示およびガイダンスを含む。
Claims (23)
- 核酸メモリ鎖を使用してデータを記録するための方法であって、該方法は、
データセットを表すビットのインシリコ配列を作製する工程;
規定された組成を有する複数のホモポリマートラクトまたはヘテロポリマートラクトを含む核酸メモリ鎖を合成する工程であって、各ホモポリマーまたはヘテロポリマートラクトは、該データセットを表すビットの該配列のビットに相当する工程、
を包含する方法。 - 前記複数のホモポリマートラクトは、2〜10の間の反復ヌクレオチドを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記データセットの各ユニットは、塩基2において表される、請求項1に記載の方法。
- 前記データセットの各ユニットは、塩基3またはより多くにおいて表される、請求項1に記載の方法。
- 前記核酸メモリ鎖は、少なくとも約200ヌクレオチド長〜約5,000ヌクレオチド長である、請求項1に記載の方法。
- 前記合成する工程は、dNTP濃度を変動させることによって、トラクト長を制御することを包含する、請求項1に記載の方法。
- 前記合成する工程は、反応時間を変動させることによって、トラクト長を制御することを包含する、請求項1に記載の方法。
- 前記複数のトラクトは、2またはこれより多くの異なるヌクレオチドを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記合成する工程は、dNTP比を変動させることによって、トラクト組成を制御する工程を包含する、請求項1に記載の方法。
- 前記核酸メモリ鎖の第1の末端を改変する工程であって、ナノポア配列決定法システムのナノポアを経る該第1の末端の通過を防止する工程;
該核酸メモリ鎖の第2の末端を、該ナノポアを経て通過させる工程;および
該核酸メモリ鎖の第2の末端を改変する工程であって、該ナノポアを通る該第2の末端の通過を防止し、それによって、該ナノポアに核酸メモリ鎖を捕捉する工程、
をさらに包含する、請求項1に記載の方法。 - 前記データセットは、テキストファイル、イメージファイル、およびオーディオファイルからなる群より選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記合成する工程は、テンプレート非依存的合成を含む、請求項1に記載の方法。
- ヌクレオチジルトランスフェラーゼ酵素を使用して、前記テンプレート非依存的合成を触媒する、請求項12に記載の方法。
- ポリメラーゼθを使用して、前記テンプレート非依存的合成を触媒する、請求項12に記載の方法。
- 前記核酸メモリ鎖は、前記データセットへの該核酸メモリ鎖の変換を防止する共有結合した化学保護基を含む、請求項1に記載の方法。
- 核酸メモリ鎖からデータを読み取るための方法であって、該方法は、
規定された組成を有する複数のホモポリマートラクトまたはヘテロポリマートラクトを含む核酸メモリ鎖を配列決定する工程、
該核酸メモリ鎖配列をデジタル化データに変換する工程であって、ここで該複数のホモポリマーまたはヘテロポリマートラクトの各々は、データのユニットに相当するビットを表す工程;および
該デジタル化したデータ片を読み取り可能なフォーマットに変換する工程、
を包含する方法。 - 前記読み取り可能なフォーマットをディスプレイする工程をさらに包含する、請求項16に記載の方法。
- 前記複数のホモポリマートラクトは、約2〜約10の間のヌクレオチド反復を含む、請求項16に記載の方法。
- 前記データのユニットは、塩基2において表される、請求項16に記載の方法。
- 前記データのユニットは、塩基3において表される、請求項16に記載の方法。
- 前記データのユニットは、塩基4において表される、請求項16に記載の方法。
- 前記核酸メモリ鎖は、少なくとも約200ヌクレオチド〜約5,000ヌクレオチド長の間である、請求項16に記載の方法。
- 前記核酸メモリ鎖は、該核酸メモリ鎖を前記データセットに変換することを防止する共有結合した化学保護基を含み、前記方法は、該核酸メモリ鎖を配列決定する前に、該化学保護基のうちの1またはこれより多くを除去する工程をさらに包含する、請求項16に記載の方法。
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