DNA存儲領域的專利分析

摘要：DNA存儲領域是一種融合DNA和存儲介質的新興技術，已引起各國家、企業(yè)和高校的關注與研究。本文以智慧芽專利庫檢索得到DNA存儲領域專利作為研究基礎，從專利視覺，對DNA存儲領域的專利申請趨勢、技術分布、技術主題以及申請人進行梳理分析，以期為相關企業(yè)和高校在DNA存儲領域的專利布局提供借鑒。

關鍵詞：DNA存儲；存儲介質；專利分析；專利3D地圖

一、引言

近二十年來，隨著移動互聯(lián)網、人工智能等技術蓬勃發(fā)展，帶來數(shù)據(jù)量指數(shù)級增長。國際數(shù)據(jù)公司統(tǒng)計，2018年全球數(shù)據(jù)總量已經達到了33ZB，2025年預測將達到163ZB[1]。然而，目前主流存儲介質發(fā)展與生產速度明顯滯后于數(shù)據(jù)量的增長[2]。海量數(shù)據(jù)的拷貝、傳輸和保存也面臨巨大的挑戰(zhàn)。因此，亟需一種新型存儲介質以應對上述挑戰(zhàn)。

脫氧核糖核酸DNA作為遺傳信息存儲載體[3]，利用腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、胞嘧啶C和鳥嘌呤G四個堿基組成代碼進行存儲，具備存儲密度高、維護能耗低、保存壽命長等優(yōu)勢[3-6]。因此，DNA存儲在數(shù)據(jù)存儲領域成為一種極具吸引力的存儲介質。

DNA存儲是利用DNA作為介質，將數(shù)字信息在二進制碼、四進制堿基序列和實際DNA片段之間的轉化與流動[7-8]；DNA存儲領域主要包括[9]：①編碼：將數(shù)字信息通過編碼映射成A/T/C/G堿基序列，包括壓縮、糾錯和轉換3個流程。②合成：通過人工合成技術包括第一代化學合成法[10-11]、第二代微陣列DNA合成法[12]和第三代酶合成法[13]，按照順序得到DNA片段。③存儲：將DNA片段選擇合適載體如體內或體外存儲。④檢索：利用特異性雜交技術如基于聚合酶鏈式反應PCR或磁珠分離技術，同特定引物序列提取DNA分子。⑤測序：利用基因測序技術包括第一代Sanger法[14]、第二代大規(guī)模平行測序法及第三代單分子測序法[15-16]，對提取的DNA分子測序得到DNA序列。⑥解碼：將DNA序列信息解碼轉換回原始數(shù)字信息[17-18]。

基于上述背景，本文將以DNA存儲作為研究對象，結合專利數(shù)據(jù)對全球范圍內相關技術的發(fā)展趨勢、技術分類、技術主題以及申請人分布等多方面，結合圖表進行統(tǒng)計學分析，旨在為DNA存儲領域方面的專利布局提供理論基礎和數(shù)據(jù)支撐。

二、DNA存儲領域的專利技術分析

（一）數(shù)據(jù)庫的選擇

智慧芽專利數(shù)據(jù)庫收錄了全球158個國家/地區(qū)，總數(shù)超過1.7億余條專利數(shù)據(jù)，每天實時更新以及對原始數(shù)據(jù)進行全面深加工，能夠協(xié)助用戶完成各類專業(yè)分析動作，滿足用戶深度的專利分析需求。

（二）檢索要素選擇

本文基于智慧芽專利數(shù)據(jù)庫，檢索日期為2022年8月16日，由于DNA存儲屬于新型技術，數(shù)據(jù)量較小，直接采用中英文關鍵詞，使用檢索式：脫氧核糖核酸or DNA or Deoxyribonucleic Acid進行專利檢索，利用PatSnap同族智能去重，手動去除無關、異常等數(shù)據(jù)，最終得到5476條檢索結果。

（三）專利申請發(fā)展趨勢

不同年份的專利申請量能夠反映出該技術領域的技術發(fā)展趨勢[19]。根據(jù)事物發(fā)展的普遍規(guī)律，專利技術數(shù)據(jù)同樣可以分為四個階段，即技術萌芽時期、技術成長時期、技術成熟時期、技術衰退時期[19-20]。發(fā)明專利保護期限為20年，專利數(shù)據(jù)從申請到公布最長存在18個月延遲，因此2021-2022年專利數(shù)據(jù)存在不完整，僅供參考。綜上所述，本文將時間限定在2000-2022年進行檢索，以便全面地獲取此領域的專利數(shù)據(jù)。

圖1是DNA存儲領域專利申請趨勢?？芍?，DNA存儲領域的整體專利申請一直處于增長趨勢?？傮w可以分為兩個階段，第一階段在2000-2012年，屬于緩慢增長階段即技術萌芽時期，從最初的24件經過12年緩慢增長到154件，這與當時的DNA存儲領域技術不成熟以及未引起政府和科學界的重視有關。第二階段從2013年至今，屬于快速增長階段即技術成長期，從2013年的228件到2020年的691件只經歷7年時間，專利申請量明顯增多。其原因一方面是2012年哈佛大學Church課題組發(fā)表論文，介紹如何使用DNA來存儲一本書[21]，2013年歐洲生物信息學研究所Goldman等發(fā)表論文，證實利用DNA存儲多媒體文件同時引入糾錯機制[22]，引發(fā)科學界對DNA存儲領域巨大關注，另一方面是世界各國陸續(xù)開始實施多項促進DNA存儲領域發(fā)展的政策手段。綜上所述，可以預見，在技術與政策的驅動下，DNA存儲研究已經進入快速發(fā)展期，在未來很長一段時間內，專利申請量會一直處于穩(wěn)步上升，并最終推動進入技術成熟期。

（四）專利技術分類排名

IPC分類號是根據(jù)專利申請涉及的技術方案所屬的領域來確定的，通過分類號可以粗略地確定專利申請內容，大致反映專利所涉及技術主題。因此，分析某領域內專利涉及的所有IPC分類號以及這些IPC分類號下專利申請量，就能得出該領域的技術構成以及該領域內申請人關注的技術方向[23]。

圖2是DNA存儲領域IPC前10大類。DNA存儲領域，專利申請主要集中在C12即生物化學、啤酒、烈性酒、果汁酒、醋、微生物學、酶學、突變或遺傳工程，G06即計算，推算或計數(shù)這2個大類，這2個領域的專利申請量占比高達64%。其余包括G01即測量、測試；G16即特別適用于特定應用領域的信息通信技術[ICT]；A61即醫(yī)學或獸醫(yī)學、衛(wèi)生學等。

（五）專利技術主題分布圖

利用智慧芽專利數(shù)據(jù)庫的專利聚類和3D專利地圖分析功能，結合NBER標簽，對DNA存儲領域做進一步智能分析。在3D專利地圖中，按粉紅色、深灰色、淺灰色、白色代表該技術區(qū)域內專利申請數(shù)量逐級遞減。粉紅色表明專利數(shù)量最密集，涉及該技術主題的專利申請量最多，是技術研發(fā)的熱點[24]。白色表明專利數(shù)量最稀少，涉及該技術主題的專利申請量最少，是研發(fā)技術的空白點[24]。

圖3是DNA存儲領域的3D專利地圖?？芍?，DNA存儲領域的3D專利地圖有多達10處粉紅色，其中有8處都涉及生物技術、有4處涉及計算機硬件&軟件，這與之前IPC大類主要分布在C12和G06相吻合；技術主題具體包括化學、核技術、測量&測試、信息存儲等，這也與之前分類號G01、A61以及G16的分布情況也是一致的。

這說明目前DNA存儲領域發(fā)展呈多樣化，觸及的6個技術環(huán)節(jié)即編碼、合成、存儲、檢索、測序和解碼均在齊頭并進的快速發(fā)展布局，這也說明DNA存儲領域已引起各方持續(xù)關注，呈現(xiàn)出創(chuàng)新活躍度增高、創(chuàng)新能力加強的現(xiàn)象。

（六）專利申請人專利量排名

專利申請人擁有專利申請量的多少，某種程度上反映其在此技術領域的創(chuàng)新水平[20]。圖4是DNA存儲領域的主要申請人。從申請量排名來看，排名前10的申請人，有4位中國申請人，值得注意，第1位是深圳華大基因，這表示中國企業(yè)已在DNA存儲領域開始布局，目前發(fā)展趨勢良好。從申請人類型來看，企業(yè)與高校申請人平分秋色。國外主要以企業(yè)為主包括美國生物科技公司億明達，而國內主要集中在高校如中國科學院深圳先進技術研究院，由此可以判斷出國內外申請人在DNA存儲領域側重方向不同，國外申請人更重視將其盡可能商業(yè)化，以獲得經濟價值，而中國申請人技術主要集中在理論研究與實驗階段。

（五）專利申請國家排名

專利申請國家的排名可以反映該國家/地區(qū)的發(fā)展前景。專利申請量越多，意味著該技術在該國家的發(fā)展前景越廣闊，也在一定程度代表該技術在該國家的重視創(chuàng)新程度越高。

圖5是DNA存儲領域專利申請國家排名趨勢?？芍?，中國以絕對優(yōu)勢列為第一，美國緊隨其后。申請人在專利布局時，將中國和美國作為重點國家，歐洲例如荷蘭、德國、英國等國家由于其知識產權發(fā)展相對成熟，也是申請人專利申請的重點區(qū)域。

根據(jù)圖5的數(shù)據(jù)量計算，可知中國專利申請量遠超其他地區(qū)的申請量總和。這表明，中國專利申請量主要是依靠中國申請人來實現(xiàn)，具體而言，中國申請人主要是在中國進行專利申請，并未在海外國家/地區(qū)進行專利布局。這可能跟中國申請人主要是高校研究院有關，高校研究院一般選擇國內專利申請作為其研究成果，而其海外研究成果則主要選擇在海外期刊發(fā)表期刊，并無進行國外專利申請的意識。

三、結束語

本文通過2000-2022年DNA存儲領域專利申請趨勢、技術分類排名、技術分類分布圖、申請人排名以及申請國家/地區(qū)排名進行研究分析，得出如下結論：

抓住機遇：從專利申請趨勢來看，目前DNA存儲領域屬于一種新型技術，不同于傳統(tǒng)技術，該領域發(fā)展還處在技術成長期，將來會有源源不斷的藍海領域被發(fā)現(xiàn)。因此，中國申請人應當抓住一切可能的機遇，提高技術研發(fā)實力，爭取成為全球技術發(fā)展的領頭羊。

加強布局：從專利申請國家排名來看，DNA存儲領域，中國和美國是全球最大的目標市場，然而中國申請人很少在海外市場布局。因此，中國申請人要提高專利布局意識，積極在海外國家進行專利申請，借此發(fā)展和提升在海外國家的競爭力和市場潛力。

提高效益：從專利申請人類型來看，DNA存儲領域，中國專利權人主要是高校，目前各大高校普遍存在大量專利申請閑置，沒有投入商業(yè)用途，無法帶來經濟效益。而企業(yè)則存在研發(fā)能力一般，缺乏基礎性實驗數(shù)據(jù)的問題。因此，促進企業(yè)與高校合作，實現(xiàn)強強聯(lián)合，將專利技術盡可能轉變成經濟力量，讓專利發(fā)揮其應有的經濟作用。

作者單位：吳瓊樂 國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作四川中心

參? 考? 文? 獻

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吳瓊樂（1988-），女，碩士，國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作四川中心，專利審查員，研究方向：數(shù)據(jù)存儲領域。