CN106845158A - 一种利用dna进行信息存储的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用DNA进行信息存储的方法，其包括（1）将计算机原始文件二进制信息转化为四进制并进而编码转换成DNA全序列，其中二进制代码00、01、10、11分别对应转换为A、T、C、G四种脱氧核糖核苷酸；（2）将DNA全序列分成多个DNA片段，并组织构建长度为90‑110nt且包括由DNA片段构成的插入核苷酸编码序列、位于两端的侧翼引物序列以及位于各侧翼引物序列内侧的索引编码序列的输出DNA序列；（3）根据输出DNA序列合成人工DNA序列并保存。本发明方法具有通用性好，能够简化运算、提高DNA信息存储的连续性、存储效率和密度，以及可降低错误率和降低序列合成和检测成本等显著优势。
Description
技术领域
本发明属于信息存储技术领域，具体涉及一种利用人工合成DNA进行信息存储的方法。
背景技术
近年来，全球数字化信息正在经历爆炸性增长，预计到2017年，全球数字化保存的资料需求将超过16泽它字节(ZB，zettabytes)，因此迫切需要开发出可靠的、用于大规模数字化信息管理的信息存储介质。然而，现有存储介质的容量并不能跟上数字化信息增长的速度。目前主要的存储介质是磁性和光学介质：磁性介质是目前市售的最密集的存储形式，磁带能存储高达185TB的数据，存储密度约10GB/mm3；最近还有研究报告了光盘存储1PB数据、约100GB/mm3的存储密度的可行性。尽管有种种改进，这些介质存储泽它字节的数据仍然需要数百万单位和大量物理空间。另外，存储密度只是信息存储的一个方面，耐久性也十分关键。目前，常规存储技术的耐久性十分有限，旋转盘的额定使用年限为3-5年，而磁带为10-30年，因此信息长期存储的解决方案仍需要擦除和更新损坏数据，以替换故障单元。综上，如果要保存全世界的数据，需要开发出具有更高存储密度和耐久性的存储介质。
脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)，又称去氧核糖核酸，是一种由脱氧核糖、磷酸以及四种碱基(腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G))组成的生物大分子，其主要生物功能是生物信息存储。DNA可组成遗传指令从而引导生物发育与生命机能运作，这一过程是建构细胞内其他的化合物所必须的。自1988年第一次提出使用DNA存储信息以来，由于其高密度和长期稳定性(半衰期>500年)，DNA被认为是一种极有前景的信息存储介质。
DNA的数字化存储是指把数字化信息转化为DNA的碱基序列信息、存储于人工合成DNA的碱基序列之中，再用测序的方法读取其存储的信息，在计算机上最终完成DNA碱基序列到数字化信息的转换。DNA作为一种新型高延迟信息储存介质具有许多潜在的优点。比如，DNA存储密度十分大，在理论水平，DNA可以编码两个字节每个核苷酸(nt)，或者455艾字节每克单链DNA；DNA稳定性强，可以在低温干燥和黑暗的条件下保存数万年；除了在非理想条件下的降解，DNA存储通常是可读的【1,2】。另外，不同于其他数字化存储介质，DNA存储不局限于在平面层间。
1988年，Joe Davis在与来自哈佛的研究者们的一项合作研究中，首先提出将二进制码0和1的数字化信息以DNA碱基对的形式保存，并完成了35字节的DNA序列在E.coli基因中的存储。将这些数据组织成一个5×7矩阵，其中1对应于暗像素，0对应于亮像素，可将DNA信息恢复为古代日耳曼语字符的图片。2012年，George Church的团队将DNA的不同碱基分别赋予二进制值(胞嘧啶(C)、腺嘌呤(A)为0，胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)为1)，通过微流体芯片合成了存储了96B数据的DNA。当需要对信息进行读取时，通过聚合酶链反应(PCR)扩增和测序获得碱基序列，并在电脑上对其进行信息恢复，将基因序列转换为二进制。并在DNA输出结构中加入了地址序列，很大程度的方便了信息读取的恢复【3】。2013年，在欧洲生物信息研究所(European Bioinformatics Institutes,EBI)，Nick Goldman、Ewan Birney和同事们使用Huffman三进制编码，将文件二进制码(0，1)翻译成三进制(0，1，2)，然后按照DNA旋转编码方法，将三进制信息翻译成DNA的碱基信息(A、T、C、G)，将碱基序列组织成四倍重叠步移的编码结构，使用153553条编码DNA来存储739KB的信息(其中包括154首莎士比亚十四行诗、一个科技论文的pdf文件、一张欧洲生物信息研究所的JPG格式图片、一段26秒的马丁路德金1963年“I have a dream”的演讲MP3音频和一段霍夫曼编码信息)【4】。
CN105022935A公开了一种利用DNA进行信息存储的编码方法，其流程主要步骤是：首先，采用霍夫曼编码策略将文件的二进制序列转码为三进制序列，进而利用抗同聚物DNA编码策略编码为DNA序列，将上述得到的DNA序列采用四倍重叠步移打断得到DNA片段，将上述片段添加首部信息区和前后引物标签得到最后的DNA序列片段。然后，将上述得到的DNA片段通过DNA寡核苷酸链合成技术合成实物DNA片段，并将合成后的片段以干粉或溶液的形式储存；如果需要进行信息的拷贝，可以利用与引物接头反向互补的引物进行PCR扩增。最后，利用高通量测序解析DNA存储的信息，其中包含测序原始序列的校验，序列片段的拼接，拼接后DNA序列转码为三进制文件，三进制文件恢复为原始的二进制计算机信息等步骤。四倍重叠步移打断表示前后两个相邻的100bp的片段包含75bp的重叠，一个完整序列被打断后，除了前后100bp，其他位置都是在4个相邻片段中重复出现。该专利方法构建的用于DNA存储技术的编码方法与欧洲生物信息研究所的方法基本类似。
上述方法采用二进制和三进制的数字化信息存储具有通用性，但基于二进制、三进制等编码方式的存储方法，信息压缩程度低、存储算法运算复杂，存储连续性差(旋转编码方式，信息写入后，写入位置后面的信息随之发生改变，造成存储不连续)，且输出DNA的长度偏长、只有单个索引，DNA合成和信息恢复过程易出错，同时四倍重叠步移结构造成数据冗余，增加存储成本。编码序列较长，造成序列合成、测序和读取的难度较高，因此阻碍了它们的实际应用【5】。
为克服以上问题，本申请人基于之前的研究提出一种新的人工合成DNA存储介质的信息存储读取方法(专利号：ZL201510138778.3)，该法采用直接编码的DNA存储读取方式，使用一些数字化信息与碱基序列的索引表格和Unicode结合的方法，实现英文、中文、数字、标点符号到DNA碱基序列的转换，相比传统DNA存储技术有很大的改进，但该方法同样有较大的局限性，该方法在涉及中文等多语言信息的编码时，需要先进行Unicode序列转码，编码方式复杂、且产生的序列冗长，导致存储密度较低，同时增加了存储过程中DNA合成测序的成本。而且，该方法通用性较差，仅限于文本的存储，不能实现对图片、音频等的DNA存储、读取。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种改进的利用DNA进行信息存储的方法，该方法具有通用性好，能够简化运算，DNA信息存储的连续性好、存储效率和密度高，错误率低，以及序列合成和检测成本较低等显著优势。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种利用DNA进行信息存储的方法，其包括(1)将计算机中的原始文件信息转换为A、T、C、G四种脱氧核糖核苷酸表示的DNA全序列；(2)将步骤(1)所得DNA全序列打断分成多个DNA片段，然后分别将多个DNA片段进行组织构建获得多个输出DNA序列；(3)根据输出DNA序列合成相应的人工DNA序列并进行保存，特别是，步骤(1)中，读取原始文件信息的二进制信息，将其转换为四进制，并进而编码转换成DNA全序列，其中所述转换关系为：二进制代码00、01、10、11分别对应转换为A、T、C、G四种脱氧核糖核苷酸；步骤(2)中，各输出DNA序列包括由各DNA片段构成的插入核苷酸编码序列、分别位于插入核苷酸编码序列两端用于扩增和测序的侧翼引物序列以及位于各侧翼引物序列内侧用于指示信息恢复过程中数据块的位置的索引编码序列，所述输出DNA序列的长度为90-110nt。
根据本发明，所述输出DNA序列的长度优选为90-105nt，更优选为90-100nt，进一步优选为95-100nt，最优选为100nt。
根据本发明，各所述侧翼引物序列的长度优选为18-22nt，最优选为20nt，各所述索引编码序列长度优选为6-10nt，最优选为8nt。
进一步地，当插入核苷酸编码序列、两侧翼引物序列、两索引编码序列的长度之和小于设定的输出DNA序列的长度时，在末端用随机序列补足。
作为本发明的优选方案，步骤(2)中，按照同一设定序列长度对所述DNA全序列进行打断，且所述同一设定序列长度为36-52nt，进一步优选地，同一设定序列长度为40-48nt，最优选地，同一设定序列长度为44nt。
优选地，步骤(2)中，所述打断为无重叠打断。
优选地，步骤(2)中，所述DNA片段的长度为52nt以内，更优选在44nt以内。
根据本发明的一个具体且最优选方面，步骤(2)中，按照序列长度为44nt对DNA全序列进行无重叠打断，得到的DNA片段的长度为44nt以内，输出DNA序列的长度为100nt，各侧翼引物序列的长度为20nt，各索引编码序列长度为8nt，当插入核苷酸编码序列、两侧翼引物序列、两索引编码序列的长度之和小于100nt时，在末端用随机序列补足。实践证明该情况下错误率最小，合成和测序成本最低。
进一步地，步骤(3)中，利用寡核苷酸合成仪制备DNA文库，并储存在基因芯片上。
根据本发明，DNA存储信息的读取可借助现有技术中常规主流的测序技术，其中优选NGS技术，测序后的过程是存储时编码的逆过程。
根据本发明的进一步方案，所述进行信息存储的方法还包括对DNA芯片上的数据进行读取，读取步骤如下：首先，将基因芯片上的DNA洗脱，通过PCR法扩增整个文库，以获取需要读取的序列；然后，使用NGS技术测序，只读取预期的输出DNA序列长度的条形码序列；进一步地，提取获得的测序结果，去除首尾引物序列和索引序列，按照索引序列所指，恢复数据块位置；最后，将碱基序列转换为四进制信息，进一步再转换为二进制的计算机信息，即完成DNA碱基序列在计算机上的读取。
由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明采用基于四进制的BitDNA编码方式，同时优化了输出DNA的结构，提高了DNA信息存储的连续性、存储效率和密度，降低了DNA合成和数据恢复错误率，降低成本。
1.本发明提出的是一种基于四进制的编码方式，将DNA的不同碱基分别赋予二进制值(腺嘌呤(A)＝00，胸腺嘧啶(T)＝01，胞嘧啶(C)＝10，鸟嘌呤(G)＝11)，避开了Huffman三进制编码和旋转编码的运算复杂性，改善了数据连续性，进而提高存储和读取效率；2.相比三进制的编码方式，四进制BitDNA编码是更加高度压缩的，从而增加了DNA上数字化信息的存储密度；3.结合四进制编码方式和通过对输出DNA片段的序列结构进行设计，使得无需四倍重叠步移结构的情况下，可以显著减少序列出错带来的数据恢复错误，在实际实验中，按照本发明方法将全文21505字的论语全文保存为4017个核苷酸输出序列，通过PCR扩增和NGS测序，最终恢复了21504个数字，只有一条序列发生丢失，数据恢复错误率只有0.12％；4.所采用的输出序列较短，从而有效降低合成和测序成本，提高存储效率。
附图说明
图1为根据本发明的人工合成DNA存储信息和读取的流程图；
图2为以实施例1为例的BitDNA编码和输出DNA构建的流程图；
图3为emoji表情图像。
具体实施方式
根据本发明，如无特别说明，本发明所有技术和科学术语均按本发明所属行业普通技术人员普遍理解的正常含义。本发明中核酸序列可以是单链或者双链。
本发明创新设计了一个基于四进制的“BitDNA编码”的数字化信息DNA存储方案，可结合人工合成DNA和下一代测序(NGS)技术来存储和读取任意格式的数字化信息。目前DNA合成和测序技术正以指数速率发展，本发明所提出的基于人工合成DNA的信息存储系统将是未来高密度和长时间信息存档的一种极具前景的方法。
数据在计算机中以二进制形式存在，而二进制到四进制之间能够实现无损转换，并且相比之前的Huffman三进制编码和旋转编码，四进制的BitDNA编码的运算更简便、数据更加压缩。参见图1，本发明从读取原始数据的二进制流开始，将其转换为四进制并进一步转换为对应的碱基序列信息。将碱基信息分成片段并构建成输出优化的输出DNA序列(100nt)，按照设计好的输出DNA序列合成DNA芯片(DNA存储介质)，通过聚合酶链反应(PCR)扩增、第二代测序(NGS)和电脑上对测序结果的恢复来实现读取。
具体地，根据本发明，数字化信息在DNA存储介质上的写入按照如下步骤进行：
首先，将二进制信息转换为四进制BitDNA编码数据：读取原始文件信息的二进制信息，按照表1碱基对索引表进行编码，将二进制信息转化为四进制，并进而转换为BitDNA编码序列数据(DNA全序列)；
表1
其次，构建输出DNA序列：按照DNA输出格式将DNA全序列打断或划分成多个DNA片段，优选按照同一序列长度(44nt)进行无重叠打断(除了最后剩余的DNA片段可能会低于44nt外，其余DNA片段长度均为44nt，即含44个核苷酸)，然后将各DNA片段组织成长度为90-110nt(最优选100nt)的编码结构即输出DNA序列。以存储、提取中英文混编的“Hello,World！你好，世界！”的数字化信息的方法为例，如图2所示，编码结构包括由DNA片段构成的长度为44nt的插入核苷酸编码序列(Input sequence)，2个长度为8nt的索引编码序列(Index code)和2个长度为20nt的侧翼引物序列(Flank sequence)组成，其中具有固定长度的侧翼引物序列位于每条插入核苷酸编码序列的两端，用于进一步扩增和测序，他们确保了通过PCR反应只提取到所关注的基因信息，而不需要进行整个DNA库检索，从而实现随机存取。在每个侧翼引物内侧分配有配对的索引编码序列，用于指示信息恢复过程中数据块的位置。
最后，根据前述设计的输出DNA序列，通过基于高通量芯片合成制备DNA文库，完成数字化信息的写入，得到带有数字化信息的DNA存储介质(基因芯片)，对该基因芯片进行保存。
当需要从基因芯片上提取信息时，可按照如下步骤进行：
首先，将基因芯片上的DNA洗脱，通过PCR法扩增整个文库，以获取我们感兴趣的序列；
然后，在Illumina HiSeq上使用NGS技术测序，只读取预期的输出DNA序列长度的条形码序列；
进一步地，提取获得的测序结果，去除首尾引物序列和索引序列，按照索引序列所指，恢复数据块位置；
最后，按照BitDNA编码，将碱基序列转换为四进制信息，进一步再转换为二进制的计算机信息，即完成DNA碱基序列在计算机上的恢复/读取。
以上，在进行数字化信息的存储时，采用基于四进制的BitDNA编码方式，避开了Huffman三进制编码和旋转编码，减小了运算的复杂性，改善了旋转编码带来的信息改写后存储不连续，进而提高存储和读取效率。相比二进制或三进制的编码方式，四进制BitDNA编码信息是高度压缩的，从而增加了DNA介质上数字化信息的存储密度。此外，现有的存储方法其编码序列通常较长、合成和测序成本很高、可靠性差，本发明所设计的插入核苷酸编码序列仅有44个或更短的核苷酸长度，比Church(96nt)和Goldman's(100nt)短得多，除了可以进一步减小运算的复杂性和降低合成、检测和读取时所花的时间和费用外，还被证明可使编码DNA池制备和信息恢复更准确(在实际实验中，按照本发明方法将全文21505字的论语全文保存为4017个核苷酸输出序列，通过PCR扩增和NGS测序，只有一条序列发生丢失，最终恢复了21504个中文字符，数据恢复错误率只有0.12％)；本发明还使用了配对的索引序列，被证明可以减少单索引在信息恢复时因为基因合成或者测序导致的索引信息提取错误。
Goldman报道的编码方案中引入了四步重叠位移结构，以通过检查重建序列的邻近区域来避免核苷酸丢失或错误，这就增加了需要合成和测序的DNA量。本发明中，抛弃了输出DNA序列设计中的四步重叠位移结构格式，从而降低了合成和测序的成本。
下将通过具体实施例进一步阐述本发明，但并不用于限制本发明的保护范围。
实施例1存储、提取中英文混编的“Hello,World！你好，世界！”的数字化信息
结合图2所示，首先将中英文字和标点混编组成的“Hello,World！你好，世界！”的文本文件(26B)按照本发明方法转换为四进制BitDNA编码序列数据(DNA全序列)，如下：
TACATCTTTCGATCGATCGGACGAACAATGTGTCGGTGACTCGATCTAACATGCTACGGTCCAAGCTTCCTTCGGTGCGGCGGACAGAGCTACGCACTTCGCTGCTTTCAGAGCGGCGGACAAT。
将上述DNA全序列打断为3个DNA片段，分别如下：
DNA片段1：TACATCTTTCGATCGATCGGACGAACAATGTGTCGGTGACTCGA；
DNA片段2：TCTAACATGCTACGGTCCAAGCTTCCTTCGGTGCGGCGGACAGA；
DNA片段3：GCTACGCACTTCGCTGCTTTCAGAGCGGCGGACAAT。
按照输出DNA格式将上述3个DNA片段构建为3个长度为100nt的序列，得到如下三个输出DNA序列，其中DNA片段3不足44nt，加上侧翼引物序列(长度20nt)和索引编码序列(长度8nt)后总长度不足100nt，需在末尾部分用随机序列补足。
输出DNA序列1：
GCGATCCACAATGTCATGTCAAAAAAAATACATCTTTCGATCGATCGGACGAACAATGTGTCGGTGACTCGAAAAAAAAGATATGCCGATAACGGGTCG；
输出DNA序列2：
GCGATCCACAATGTCATGTCAAAAAAATTCTAACATGCTACGGTCCAAGCTTCCTTCGGTGCGGCGGACAGAAAAAAATGATATGCCGATAACGGGTCG；
输出DNA序列3：
GCGATCCACAATGTCATGTCAAAAAAACGCTACGCACTTCGCTGCTTTCAGAGCGGCGGACAATAAAAAAACGATATGCCGATAACGGGTCGTGGAGCGC。
进一步地，按照上述获得的三个输出DNA序列，利用寡核苷酸合成仪制备DNA文库，储存在基因芯片上，至此完成了数字化信息的写入，得到带有“Hello,World！你好！”这一数字化信息的DNA存储介质。
当需要提取DNA存储介质上的信息时，将基因芯片上的DNA洗脱下来，然后使用PCR扩增法获得需要的DNA序列；之后，将带有编码信息的DNA用Illumina测序仪检测，在Illumina HiSeq上使用NGS技术测序，只读取预期的100nt长度的条形码序列；接着，提取解码所需序列：去除首尾引物序列和索引序列，按照索引序列所指，恢复序列位置；最后，按照BitDNA编码，在计算机上将碱基序列转换为四进制信息、进一步再转换为二进制的计算机信息，即完成“Hello,World！你好！”在计算机上的读取。
实施例2存储、提取图片“emoji.jpg”的数字化信息(3.83KB)
将图3所示的jpg格式的emoji表情图像文件“emoji.jpg”(3.83KB)按照本发明编码方法转换为四进制BitDNA编码数据，获得15708个碱基的DNA全序列，如序列1所示；
将DNA全序列按照无重叠打断方式分为357个长度为44nt的DNA片段，按照输出DNA格式将其构建为357个长度为100nt的输出DNA序列(侧翼引物序列长度20nt和索引编码序列长度8nt)，即完成中英文混编的数字化信息对DNA序列的转换；然后按照上述获得的357个输出DNA序列，利用寡核苷酸合成仪制备DNA文库，储存在基因芯片上，至此完成了数字化信息的写入，得到带有“emoji.jpg”这一图片的数字化信息的DNA存储介质。
当需要提取DNA存储介质上的信息时，将基因芯片上的DNA洗脱下来，使用PCR扩增法获得我们需要的DNA序列；之后，将带有编码信息的DNA用Illumina测序仪检测，在Illumina HiSeq上使用NGS技术测序，只读取预期的100nt长度的条形码序列；接着，提取解码所需序列：去除首尾引物序列和索引序列，按照索引序列所指，恢复序列位置；最后，按照BitDNA编码，在计算机上将碱基序列转换为四进制信息、进一步再转换为二进制的计算机信息，即完成对“emoji.jpg”图片的数字化信息的计算机读取。
实施例3存储、提取音频“示例音频-笑声.mp3”的数字化信息(4.18KB)
将MP3格式的示例音频文件“示例音频-笑声.mp3”(4.18KB)按照本发明码方法转换为四进制BitDNA编码数据，获得17148个碱基的DNA全序列，如序列2所示；
将DNA全序列按照无重叠打断方式分为389个长度为44nt的DNA片段和1个长度为32的DNA片段，按照输出DNA格式将其构建为390个长度为100nt的输出DNA序列(侧翼引物序列长度20nt和索引编码序列长度8nt)，即完成中英文混编的数字化信息对DNA序列的转换；然后按照上述获得的390个输出DNA序列，利用寡核苷酸合成仪制备DNA文库，储存在基因芯片上，至此完成了音频的数字化信息的写入，得到带有“示例音频-笑声.mp3”这一音频的数字化信息的DNA序列。
当需要提取DNA存储介质上的信息时，将基因芯片上的DNA洗脱下来，使用PCR扩增法获得需要的DNA序列；之后，将带有编码信息的DNA用Illumina测序仪检测，在IlluminaHiSeq上使用NGS技术测序，只读取预期的100nt长度的条形码序列；接着，提取解码所需序列：去除首尾引物序列和索引序列，按照索引序列所指，恢复序列位置；最后，按照BitDNA编码，在计算机上将碱基序列转换为四进制信息、进一步再转换为二进制的计算机信息，即完成对“示例音频-笑声.mp3”音频信息的计算机读取。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
参考文献
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序列表
<110> 苏州泓迅生物科技股份有限公司
<120> 一种利用DNA进行信息存储的方法
<160> 2
<210> 1
<211> 15708
<212> DNA
<213> 人工序列
<400> 1
gggggtcagg gggcaaaaaa ataataccta tctacttatc aaaaaaataa ataaataaaa 60
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aataaataaa agaataaatg aattaataaa taaaaaaaat aaactgtgaa aaaaataaac 1800
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agaccaataa caattataac ctatccatcg atgaataact acagagagtt acggaaattt 1920
tcactgacgt ataaccattc actaagtagc atacttggat attgatcaat ctatccactc 1980
actgaccaac ctacccagtt agtcagtgag caagctagcc taagtatata tttatctatg 2040
tacatactta ccttagttta tttttttctt tgttcattct ttcctcagtc tatctttctc 2100
tctgtccatc cttccctgag tgtatgtttg tctgtgtgca tgcttgccca accaagcata 2160
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accaaaaacc accaccacca aaaaccacca ccaccaaaaa ccaccaccac caaaaaccac 2580
caccaccaaa aaccaccacc accaaaaacc accaccacca aaaaccacca ccaccaaaaa 2640
ccaccaccac caaaaaccac caccaccaaa aaccaccacc accaaaaacc accaccacca 2700
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accaaaaacc accaccacca aaaaccacca ccaccaaaaa ccaccaccac caaaaaccac 2820
caccaccaaa aaccaccacc accaaaaacc accaccacca aaaaccacca ccaccaaaaa 2880
ccaccaccac caaaaaccac caccaccaaa aaccaccacc accaaaaacc accaccacca 2940
aaaaccacca ccaccaaaaa ccaccaccac caaaaaccac caccaccaaa aaccaccacc 3000
accaaaaacc accaccacca aaaaccacca ccaccaaaaa ccaccaccac caaaaaccac 3060
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aaaaacgcaa aatcagaaaa tccaaaaatc ctaaaatcgc aaaatcataa aatgccaaaa 900
acgcaaaatc agaaaatcgg aaaatcgtaa aaacctaaaa tttataatta gataacaaaa 960
aaaaaaaaac ctaaaaaaaa aaatgggggg gcgtcttgcc tgggctttac aatggtttaa 1020
tctgaccaaa aatgagaaaa tcagaaaaac gcaaaatcag aaaatccaaa aatcctaaaa 1080
tcgcaaaatc ataaaatgcc aaaaacgcaa aatcagaaaa tcggaaaatc gtaaaaacct 1140
aaaatttata cttttaagag aaaaaaaaaa aaacctaaaa aaaaaaatgg gggggcgtct 1200
tgcctgggct ttacaatggt ttaatctgac caaaaatgag aaaatcagaa aaacgcaaaa 1260
tcagaaaatc caaaaatcct aaaatcgcaa aatcataaaa tgccaaaaac gcaaaatcag 1320
aaaatcggaa aatcgtaaaa acctaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 1380
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 1440
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 1500
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 1560
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 1620
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 1680
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 1740
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 1800
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 1860
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 1920
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 1980
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2040
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2100
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2160
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2220
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2280
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aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2460
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2520
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2580
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2640
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2700
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2760
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2820
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2880
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 2940
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 3000
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 3060
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aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 3180
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 3240
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 3300
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 3360
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aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 3480
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aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 3660
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aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 3780
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aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 3900
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 3960
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 4020
aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa aaaaaaaaaa 4080
aaaaaaaaaa aaaaaagggg ggccatatga gatggaactg aaaaaaaaaa aaaaaaaaat 4140
cctaatcaaa aaaaaaaaat acggatcagt ggtaagacag agaaaaaagt cagagacaat 4200
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ctgacactgg ggtagtagag tgacggctcg ctagaaaccc tctatttatg ttaatgccgc 4440
tatgtgggcc tcggtaggtg actttactac acaccaatcc ccaactcgta ctggaaaaag 4500
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atctaaagca aaaaaaccac attaggaaaa agatccttaa aaaaagattg actgcagcaa 4620
tatggaagca tatggggact caaaggatac gggggacgca aggaaattca atactggggc 4680
acttccagat aaatatgggg gggatacgag atctcatcgc ttaggggggg attcacctgc 4740
tagatccata aaatgacctc caaacagacg aagtccgcag gctccggact gattattcta 4800
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ttctttaggg ctcattctct atctaggggg gttacccaca agaatagttt acttttggcg 4920
ttcggccctg acggggggcc atatgagatc ccgtggaaac aaaaaatagc taagcttgaa 4980
atgagataca aaaaaacagt catcgcgctg taagaccagt taaaaacaac aagcgggtcc 5040
gatttcatac tgactcgtag cggctttaga gaagtagaca ctctcgaacc ctggttcaca 5100
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ccgaccaggg gggcttgtgt gtcccgtttg cataaaaaaa aaaaaatttt cacgccagca 5340
cctatctggg ggggccatag gagatattag ggaattaaat gatacaaaag tgtcctaaat 5400
cattactgaa aacactaagt ccgtattaag aaccatcaca tcagccttta acatccatgc 5460
ttctgcaccg tttaattgaa tcctccgtaa gtaattttgc ggtcccatga ttcacgcaag 5520
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cattaagata aacaaaaatg ccgtattaag taatccaaaa tactctcatt gagctatgat 5880
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ttgtaggcga tgtggttcag caagcctaga catccaaggt cacccaaagt tcctaagtcg 6000
atcgtgttca acatccaaca tacgggggct tacagatgac ctacttattg tagaggataa 6060
gtacatccag atttgcggta gcattgtatc gattatccaa ctaatgctat tccctccaca 6120
gattttagat tgtgttaccc cttttctatt tctggcttta tagtctgtgg gtggggggag 6180
cgcagggggg ccataggaga tcacctcgat atcaatgata gtgacctgtc taaaatctca 6240
ttaacaaaca taaaccacga cttaagagaa gcaacagcgg taccttggac accaaaacca 6300
gaaccgagaa ggccgaactt ttacctgtgg gcaagcatgc ccaattccca atctaatctc 6360
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tttgaagtat agaaggccct tctttgcagt tacagctgcc agaatttact actatttgta 6480
cacgtatgac tcggaaatag cacaaaattt catatttcat tacgttgtta tgggttattg 6540
ttaatatgtc cggtgagtgt tcggtagaac taattttaaa aagaaactct taaatatgcg 6600
atatgggggg ccatatgaga aggacttcat tccaaggata atgaagcgtc acaaataaga 6660
gaatgaaacc aaaacgacga caaagataca gttcaacgtg tcctagatgc aactcgtcgt 6720
cggcacacaa atacacgaaa caaactacat catagcacga gcatgcgcgc tccaagataa 6780
cccggaaaat gtagtggggg gggggtaccg gtaacgcaaa cctagctaca aaaacccggg 6840
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cattagcctg agatcctcac atcagagaca ctaccaaacg gcctcttcta cggtaagcta 6960
ttcctccctt tttgccggga gcggttgtta agttcgtgac cagtacacga acgactatac 7020
ggggggccat aggagaatat gtttatccca aaaacgacga gacttcgtta gaaggagagt 7080
aaaacttgaa cttcgcgaaa catgcagtac aaaatgagcg ctgataacga ctgatagagc 7140
ccatcatcct ggcttacccc taggagtcga gacatctggg ggttccaaga taatggggtc 7200
acgacaggtt aatgacgttc ttaatcacga caaaagctta ccacagggcc catgcttgga 7260
gttttcttaa ttccaagtac ttgattatac aagatatatc tccggcacga ggccactccg 7320
tgtcactgga gtcgaagtgc cccgagctta ctaatggcac tttacgcaag ccaagcagtt 7380
cccttaagta gtttatgggg cacgtgtatt ttctctggaa gatcccggtc tgatttgaat 7440
ggggggccat atgagatgtg acttaaagca aggatattta taggtgacaa atcggttcca 7500
taaatgccca tgccgttaaa tctgcgaagt aaaacgagca tgaggctggg tctaaggtag 7560
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cggctgctat ggggggccga gagtgttttt gggaaggatc ctgggatagc taatgacctc 7680
cccatcctta tagtgctgcg cggcgctgtc tgcatgtctt caacgtcgcc ggttctgcta 7740
ttacccgcac ataacaacgc ggccgtttag tgagagtggt acggttatat acacgcccta 7800
tcgaacagcc gggggtgttg ccttacagtg cctagtgaag ccgctcgtac cgaaaggggg 7860
ggccatagga gaactgcacc aacgaaaaaa taaccaaggt tctcaaagag gtaccataaa 7920
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tagggggggg ccctgcatca gaaaaaaaca aaaaatcctt ccgacaaaaa agggattgca 8040
tcgtcgaagt tcccgtcaac gaagagaaac gttttagtta gctctgttca taaatgtttt 8100
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cccgagttgg ttgactgcta gcctctacta atccacccaa attttacggt tcggctgggg 8280
ggccatatga gaatccacct aaccaaagga tattgattgg tctcaaaacc tatatgtaaa 8340
catgaagagc gacaaaagta cactgacaga ctccccgaat gaaagccgag tatgaaactc 8400
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ctcccacata ctgctatata accggcattg gtaggggggg gtattaataa agggggggcc 8700
ataggagaca tctgctataa aaatgaaggt tatccttcac aataactatt aaaaaacatt 8760
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tatttgggat acgcacctca tgcccgtata gttcatcatc taagccactg gaggcccaca 10140
aaaccccagg tatggggggc ggccacacgg tataaaatag cagatacatg ttaattatca 10200
cgataagcgg agagcgtcgg tggaccccga ctatttaatc gctaggcctt aaggctggca 10260
gtgaagacta tacaaggacg ccgggggggg gggccaaatc agacgctggg gccacccaat 10320
taatttacac cagacctcgg ggagtattcg aaccagatgc catagggggg ccataggaga 10380
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acactgacca tgattacctc ataactggta catctatttt attgggatat cgagggcact 10680
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cgcataggcg gtagaacgag gtcgctatcc agcgtctcac gagagggggg ccatatgaga 10800
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atgctatgtc tggtaaccgt tatttagaac ccaaagctag ctccaacgcg ctcggtggaa 11100
tcctgttgtg ctttgcgaat aatccacgca acaagtggat ttggacgacg cttgactgtg 11160
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acttataaaa aaaataagga ttcgtttaat tactatcaaa aaataccgat catcgataag 11280
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agaagatttc caagttgaaa aagtaatata gaggacaaag cggagcatcg aagcgattct 11460
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aacctcgatt ttacttcttt ggcgagcggc ggttagccgc gttgggtcgt tacgtatagt 11580
cttgtcttac tctcccgagt tagtcccggt attgtacacc ggggggccat atgagattga 11640
accaaaacca aggatatgga agtttgaaat gtaatgcaaa aaaacccgca cgtcgttaaa 11700
aggaagaagt cataactata aaaaggaatg cgcatatcat ccacgtctgg ttgcgaggct 11760
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atgtaataga ctacgagcct tgagtggcgc ttgaaacgag gctacttata actacttcgg 11940
tctgcgccgg gagttttctg ttgattgatt agtgcttctc tagctggggc gctaggggtt 12000
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gcctatccca cgctgccgtc ctcgcacttc cttatctaga tatactacta atgcactagc 13200
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gtcctacaga atattaaaaa tatcacccag caacaacatc aacccgaacg ccatgaccta 13500
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ggccttgatt ttcgaacccg ggggggccat atgagaggaa tgatataaca aaaacacaca 15840
ccgtaatcat caggtgcaaa aacacaggca aaatgagaag caaaaaaaaa atttgagggg 15900
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Claims (11)
1.一种利用DNA进行信息存储的方法，其包括（1）将计算机中的原始文件信息转换为A、T、C、G四种脱氧核糖核苷酸表示的DNA全序列；（2）将步骤（1）所得DNA全序列打断分成多个DNA片段，然后分别将多个DNA片段进行组织构建获得多个输出DNA序列；（3）根据输出DNA序列合成相应的人工DNA序列并进行保存，其特征在于：步骤（1）中，读取原始文件信息的二进制信息，将其转换为四进制，并进而编码转换成DNA全序列，其中所述转换关系为：二进制代码00、01、10、11分别对应转换为A、T、C、G四种脱氧核糖核苷酸；步骤（2）中，各所述输出DNA序列包括由各所述DNA片段构成的插入核苷酸编码序列、分别位于所述插入核苷酸编码序列两端用于扩增和测序的侧翼引物序列以及位于各所述侧翼引物序列内侧用于指示信息恢复过程中数据块的位置的索引编码序列，所述输出DNA序列的长度为90-110nt。
2.根据权利要求1所述的利用DNA进行信息存储的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述输出DNA序列的长度为100nt。
3.根据权利要求1或2所述的利用DNA进行信息存储的方法，其特征在于：步骤（2）中，各所述侧翼引物序列的长度为18-22nt，各所述索引编码序列长度为6-10nt。
4.根据权利要求1所述的利用DNA进行信息存储的方法，其特征在于：当所述插入核苷酸编码序列、两侧翼引物序列、两索引编码序列的长度之和小于设定的输出DNA序列的长度时，在末端用随机序列补足。
5.根据权利要求1所述的利用DNA进行信息存储的方法，其特征在于：步骤（2）中， 按照同一设定序列长度对所述DNA全序列进行打断，且所述同一设定序列长度为36-52nt。
6.根据权利要求1或5所述的利用DNA进行信息存储的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述打断为无重叠打断。
7.根据权利要求1所述的利用DNA进行信息存储的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述DNA片段的长度为52nt以内。
8.根据权利要求7所述的利用DNA进行信息存储的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述DNA片段的长度为44nt以内。
9.根据权利要求1所述的利用DNA进行信息存储的方法，其特征在于：步骤（2）中，按照序列长度为44nt对所述DNA全序列进行无重叠打断，得到的所述DNA片段的长度为44nt以内，所述输出DNA序列的长度为100nt，各所述侧翼引物序列的长度为20nt，各所述索引编码序列长度为8nt，当所述插入核苷酸编码序列、两侧翼引物序列、两索引编码序列的长度之和小于100nt时，在末端用随机序列补足。
10.根据权利要求1所述的利用DNA进行信息存储的方法，其特征在于：步骤（3）中，利用寡核苷酸合成仪制备DNA文库，并储存在基因芯片上。
11.根据权利要求1所述的利用DNA进行信息存储的方法，其特征在于：所述进行信息存储的方法还包括对DNA芯片上的数据进行读取，读取步骤如下：首先，将基因芯片上的DNA洗脱，通过PCR法扩增整个文库，以获取需要读取的序列；然后，使用NGS技术测序，只读取预期的输出DNA序列长度的条形码序列；进一步地，提取获得的测序结果，去除首尾引物序列和索引序列，按照索引序列所指，恢复数据块位置；最后，将碱基序列转换为四进制信息，进一步再转换为二进制的计算机信息，即完成DNA碱基序列在计算机上的读取。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170613 |