通过迭代DNA编辑的存储制造技术

通过在dsDNA中产生断裂并用同源修复模板修复断裂来增加新的DNA的迭代过程将信息存储在现有DNA中。添加到dsDNA中的断裂中的DNA序列的顺序和序列可编码二进制数据。通过使用情境依赖性编码方案，三个独特的同源修复模板可编码无限的数位。当现有DNA在细胞中时，变化可遗传地传递给后续细胞世代。同源修复模板的合成可以是在启动子和操纵基因的控制下。细胞内或细胞外信号可以调节同源修复模板的合成。

Storage by iterative DNA editing

The information is stored in existing DNA through an iterative process of adding new DNA by generating breaks in dsDNA and repairing them with homologous repair templates. The sequence and sequence of DNA sequences added to breaks in dsDNA can encode binary data. Three unique homologous repair templates can encode infinite numbers by using context-dependent coding schemes. When existing DNA is present in cells, changes can be transmitted hereditarily to subsequent cell generations. Homologous repair templates can be synthesized under the control of promoters and manipulating genes. Intracellular or extracellular signals regulate the synthesis of homologous repair templates.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】通过迭代DNA编辑的存储相关申请本申请要求2016年7月1日提交的标题为“StorageThroughIterativeDNAEditing”的美国专利申请序列号62/357,828和2016年9月23日提交的标题为“StorageThroughIterativeDNAEditing”的美国专利申请序列号62/399,190的优先权，其两者通过引用并入本文。
技术介绍
在现有脱氧核糖核酸(DNA)(例如细胞中的DNA)内存储和检索任意信息的能力是合成生物学的重要目标，其具有为二进制数据产生低成本、高密度的存储介质的潜力。迄今为止，细胞内的现有存储方法仅能够记录至多数个字节的信息，但是每个比特需要专门的、正交的基因构造，因而极大地限制了最大存储容量。
技术实现思路
本
技术实现思路
是为了以简化形式介绍一些选择的概念而提供，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本
技术实现思路
不旨在确定要求保护的主题内容的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制要求保护的主题内容的范围。精确的基因编辑技术，例如CRISPR/Cas(规律间隔成簇短回文重复序列/CRISPR相关蛋白)系统和TALEN(转录激活因子样效应核酸酶)使得能够以可用于存储任意信息或细胞的状态信息的方式操纵DNA。本文描述的方法能够通过使用基因编辑技术递增编辑细胞DNA而在活细胞内动态记录无限量的二进制数据。信息可以从任何细胞内或细胞外信号转导，并以允许信息传递给后续细胞世代的方式永久记录在DNA中。该方法也可用于无细胞或合成细胞系统。可以切割细胞中或其他环境(例如无细胞系统)中的DNA以产生双链断裂(“DSB”)。可以使用同源定向修复(HDR)将新的DNA插入断裂中。原始DNA中的靶位点的周到设计以及同源修复模板的设计使得可以重复切割DNA并在切割内增加新的DNA，从而以编码二进制数据或其他信息的方式在现有DNA链中添加DNA。添加的顺序可编码0和1，允许以在细胞分裂期间可遗传地传递给新细胞的方式存储任意二进制数据。信号传导途径可用于控制特定同源修复模板的插入和/或特定酶的可用性，以指导细胞记录0或1。附图说明具体实施方式参照附图进行阐述。在附图中，附图标记的最左边的数字标识其中首次出现该附图标记的图。在不同图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。图1显示用酶切割dsDNA并通过同源定向修复插入新的DNA的示意图。图2显示切割图1的dsDNA，并通过同源定向修复插入另外的DNA的示意图。图3显示用于切割dsDNA，通过同源定向修复插入DNA，和测序DNA以识别编码的二进制数据的示意性过程。图4显示根据两种不同编码方案将DNA插入dsDNA中的两个位置的示意性过程。图5显示用于将新的DNA插入现有DNA中的示意性细胞组件。图6显示用于实施本公开的特征的示意性系统。具体实施方式存在许多用于在核酸序列中编码二进制数据的技术。这些技术中的大多数基于合成新核酸并努力进行紧凑编码，其中仅需要少量核酸碱基来编码1或0。然而，本公开中描述的技术在现有DNA的中间中增加新的DNA序列以编码二进制数据。由于涉及在现有DNA上用酶进行操纵的工作，结合位点的存在等等的限制，该编码不像其可以在使用新合成的DNA的系统中那样紧凑。本公开的技术通过重复切割并将新序列插入现有DNA中来将数据存储在DNA中。每个插入物在该插入物内提供用于下一轮DNA切割和后续插入的靶位点。重复这个过程产生带有一系列嵌套插入物的DNA分子。嵌套插入物的顺序可以解释为编码一系列1和0。“可杂交的”或“互补的”或“基本上互补的”是指核酸(例如DNA)包含能够使其在适当的温度和溶液离子强度的体外和/或体内条件下以序列特异性的、反平行的方式(即，核酸特异性结合互补核酸)非共价结合另一个核酸的核苷酸序列。如本领域所知，标准Watson-Crick碱基配对包括：腺嘌呤(A)与胸苷(T)配对，腺嘌呤(A)与尿嘧啶(U)配对，鸟嘌呤(G)与胞嘧啶配对(C)。此外，本领域还已知，对于两个RNA分子(例如，dsRNA)之间的杂交，鸟嘌呤(G)与尿嘧啶(U)碱基配对。在本公开的上下文中，鸟嘌呤(G)被认为与尿嘧啶(U)互补，反之亦然。因此，当可以在本专利技术DNA靶向RNA分子的蛋白质结合区段(dsRNA双链体)的给定核苷酸位置处制造G/U碱基对时，该位置不被认为是非互补的，反而被认为是互补的。杂交和洗涤条件是众所周知的并且在Sambrook，J.，Fritsch，E.F.和Maniatis，T.MolecularCloning：ALaboratoryManual，SecondEdition，ColdSpringHarborLaboratoryPress，ColdSpringHarbor(1989)，特别是其中第11章和表11.1；和Sambrook，J.和Russell，W.，MolecularCloning：ALaboratoryManual，ThirdEdition，ColdSpringHarborLaboratoryPress，ColdSpringHarbor(2001)中举例说明。温度和离子强度的条件决定了杂交的“严格性”。杂交需要两个核酸含有互补序列，尽管碱基之间的错配是可能的。适合于两个核酸之间的杂交的条件取决于核酸的长度和互补程度，其是本领域熟知的变量。两个核苷酸序列之间的互补程度越大，具有那些序列的核酸的杂交体的解链温度(Tm)的值越大。对于具有短互补段(例如在35或更少，30或更少，25或更少，22或更少，20或更少，或18或更少个核苷酸上的互补)的核酸之间的杂交，错配的位置变得重要(参见Sambrook等，同上，11.7-11.8)。通常，可杂交核酸的长度为至少约10个核苷酸。可杂交核酸的示意性最小长度是：至少约15个核苷酸；至少约20个核苷酸；至少约22个核苷酸；至少约25个核苷酸；至少约30个核苷酸。此外，技术人员将认识到，可以根据例如互补区长度和互补程度等因素必要时调节温度，pH和洗涤溶液盐浓度。在本领域中应理解，多核苷酸的序列不需要是与其靶核酸的序列100％互补以是可特异性杂交或可杂交。此外，多核苷酸可以在一个或多个区段上杂交，使得插入或邻近区段不参与杂交事件(例如，环结构或发夹结构)。多核苷酸可包含与它们靶向的靶核酸序列内的靶区域至少70％，至少80％，至少90％，至少95％，至少99％或100％的序列互补性。例如，其中反义化合物的20个核苷酸中的18个与靶区域互补并因此特异性杂交的反义核酸将代表90％的互补性。在该实例中，其余的非互补核苷酸可以成簇或与互补核苷酸散布，并且不需要彼此或与互补核苷酸连续。核酸内的特定段的核酸序列之间的互补百分比可以使用本领域已知的BLAST程序(基础局部比对搜索工具)和PowerBLAST程序(Altschul等，J.Mol.Biol.，1990，215：403-410；Zhang和Madden，GenomeRes.，1997，7，649-656)或通过使用默认设置，使用Gap程序(WisconsinSequenceAnalysisPackage，Version8forUnix，GeneticsComputerGroup，UniversityResearchPar本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在双链脱氧核糖核酸(dsDNA)中编码二进制数据的方法，所述方法包括：用第一酶在所述dsDNA的第一靶位点处产生第一双链断裂(DSB)；根据第一二进制数字、所述第一靶位点和编码方案选择第一同源修复模板；和将所述dsDNA与所述第一同源修复模板接触，其中所述第一同源修复模板含有与用于第二酶的第二靶位点互补的区域以在所述dsDNA中产生第二DSB，并且所述第一二进制数字由邻近所述第二靶位点的部分序列的所述第一靶位点的部分序列的顺序编码。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.01 US 62/357,828;2016.09.23 US 62/399,1901.一种在双链脱氧核糖核酸(dsDNA)中编码二进制数据的方法，所述方法包括：用第一酶在所述dsDNA的第一靶位点处产生第一双链断裂(DSB)；根据第一二进制数字、所述第一靶位点和编码方案选择第一同源修复模板；和将所述dsDNA与所述第一同源修复模板接触，其中所述第一同源修复模板含有与用于第二酶的第二靶位点互补的区域以在所述dsDNA中产生第二DSB，并且所述第一二进制数字由邻近所述第二靶位点的部分序列的所述第一靶位点的部分序列的顺序编码。2.权利要求1所述的方法，其中所述第一靶位点在所述第一DSB之前在所述dsDNA中是独特的。3.权利要求1所述的方法，其中：所述第一靶位点的DNA序列包含重复一次的第一子序列；并且所述第一同源修复模板包含：3’端序列和5’端序列，各自编码与所述第一子序列互补的第二子序列；和在所述第一同源修复模板中间的两个邻近存在的第三子序列。4.权利要求1所述的方法，其中所述第一同源修复模板选自两个潜在的同源修复模板，其中，根据所述编码方案，当邻近所述第一靶位点的所述部分序列时，与所述两个潜在同源修复模板的第一部分互补的DNA代表二进制数字0，并且当邻近所述第一靶位点的所述部分序列时，与所述两个潜在同源修复模板的第二部分互补的DNA代表二进制数字1。5.权利要求1所述的方法，其还包括通过(i)寡核苷酸合成或(ii)使用逆转录酶从核糖核酸(RNA)序列产生所述第一同源修复模板。6.权利要求1所述的方法，其还包括：在用所述同源修复模板同源修复所述第一DSB后通过测序所述dsDNA而产生序列文件；和解释所述序列文件以基于所述编码方案确定所述第一二进制数字。7.权利要求1所述的方法，其还包括：用所述第二酶在所述dsDNA中的所述第二靶位点处产生所述第二DSB；根据第二二进制数字、所述第二靶位点和所述编码方案选择第二同源修复模板；和使所述dsDNA与所述第二同源修复模板接触，其中所述第二同源修复模板含有用于第三酶的第三靶位点以在所述dsDNA中产生第三DSB，并且所述第二二进制数字由其后是所述第三靶位点的部分序列的所述第二靶位点的部分序列的顺序编码。8.权利要求7所述的方法，其在使所述dsDNA...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·K·甘贾姆，
申请(专利权)人：微软技术许可有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US