CN110427786A - 一种用dna作为文字信息高效存储介质的方法 - Google Patents

一种用dna作为文字信息高效存储介质的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法，对文字信息进行存储，有利于文化的保护。一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法，包括存储过程和解码过程；存储过程包括以下过程：建立信息序列，将文本内容划分成若干个存储单元，利用DNA工具软件将每个存储单元转换为一条DNA序列，从而将整个文本转换为多条DNA序列；在信息序列两端分别添加20bp的保护序列；在保护序列两端添加引物结合区；解码过程包括以下过程：将细菌进行培养，提取质粒，进行聚合酶链式反应，得到扩增产物，将扩增产物进行琼脂糖凝胶电泳、成像鉴定，用Sanger测序法对扩增产物测序，将测序获得的DNA序列用DNATools软件将序列还原为汉字文本。

Description

一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法
技术领域
本发明涉及DNA存储技术领域，具体涉及一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法。
背景技术
21世纪是一个信息技术高速发展的时代，信息量以指数式不断增长，这些信息的长期稳定存储成为人们关注的焦点。目前用于数据存储的设备如：纸，磁性介质和硅芯片并不是理想的存储设备，首先硅芯片的数据存储密度有限，磁带会随着使用次数的增加，存储质量快速下降。硅芯片在制造过程中成本高，会使用大量的有害化学物质，如四氯化硅、氰化物、二氯乙烷等，还需要消耗大量的水资源和化石燃料，据统计约有三分之一的工人患有硅污染引起的疾病。其次，存储信息的容量越大，存储设备的体积就更大，设备携带、存放及养护就会有很多不便，而且废弃的设备不易降解，容易造成环境污染，硅也属于不可再生资源，终有一天会消耗殆尽。
DNA(脱氧核糖核酸)是一种天然的信息存储介质，具有安全储存世界上几乎所有生物有机体的大量遗传信息的能力。DNA作为生物遗传信息的载体，拥有体积小，密度大，稳定性强等特点，所以人们将高容量信息存储的目标转向DNA。用DNA作为存储媒介的另一个优势为，具有非常高的保密性，可以利用DNA存储技术来保存机密文件，其中的信息不容易被破解和毁坏。存储在DNA中的信息很容易进行大量的拷贝，拷贝数以指数式增加。
已经报道了用DNA中进行信息存储的各种方法，包括霍夫曼代码，逗号代码和交替代码， Erlich Y等利用香农密码设计了一种叫做DNA喷泉的DNA存储策略，来克服寡聚核苷酸缺失和DNA存储的生化限制。Shipman S L等利用CRISPR-Cas系统有可能将任意信息写入基因组的原理，通过随时间添加编码真实信息的寡核苷酸序列，将黑白图像的像素值和电影短片编码到一群活细菌的基因组中，证明了此系统可以成功捕获实际数量的真实数据，并且能稳定地存储在活细胞群体基因组中。Organick L等设计和验证了能独立恢复存储在DNA中的所有文件的一个大型引物库，编码同一个文件的寡聚核苷酸包含相同的PCR引物靶序列，形成一个唯一的文件ID，同一个文件的每一寡聚核苷酸序列包含唯一的链特异性位点，用来定位组装过程中序列的位置。通过PCR实验能够对数据存储库中的信息进行随机提取，不出差错，独立恢复每一个文件。
发明内容
本发明目的在于提供一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法，对文字信息进行长久存储，有利于文化的保护。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法，包括存储过程和解码过程；存储过程包括以下过程：
建立信息序列，将文字信息文本内容划分成若干个存储单元，每个存储单元转换为一条 DNA序列，从而将整个文本转换为多条DNA序列；
在信息序列两端分别添加20bp的保护序列；在保护序列两端添加引物结合区；
解码过程包括以下过程：
将细菌进行培养，提取质粒，进行聚合酶链式反应，得到扩增产物，将扩增产物进行琼脂糖凝胶电泳、成像鉴定，用Sanger测序法对扩增产物测序。
作为一种优选技术方案，将测序获得的DNA还原为汉字文本，具体包括以下步骤：
(1)提供测序获得的DNA序列，通过序列峰图信息，将峰图两端信号不稳定的碱基删除，得到DNA序列。
(2)用相应的密码表将DNA信息序列还原为文本信息。
作为一种优选技术方案，在保护序列的两端加上引物结合区，将最终合成的序列连接到质粒上，然后转入大肠杆菌中，将信息以质粒形式在细胞中存储。
作为一种优选技术方案，采用DNA碱基六联体的不同组合建立密码表对汉字和标点符号进行编码。
作为一种优选技术方案，对编码文字信息的DNA序列通过聚合酶链式反应进行拷贝，聚合酶链式反应的反应体系为50μl:mix:25μl；引物F:1.5μl，引物R:1.5μl；DNA: 2μl，ddH2O:20μl；反应条件：95℃,5min；然后进行30个循环，循环为95℃,30s；56℃, 30s；72℃,30min，最后72℃,5min。
作为一种优选技术方案，通过DNA工具软件建立密码表，DNA工具软件包括码表创建模块，根据输入码表创建模块的文字信息，码表创建模块可随机生成若干个不同的密码表，用户可在码表创建模块选择最合适的密码表来对文字信息进行匹配；DNA工具软件还包括信息转换模块，信息转换模块将文字信息按照密码表上的密码转换成对应的信息序列，还可将序列信息还原为文字信息。
值得说明的是，目前大多数DNA存储技术用DNA的4个碱基直接编码二进制符号，如用 A或C编码0,用G或T编码1，或者用00＝C，01＝T，10＝A，11＝G，这种编码方式的好处就是对文本格式没有限制，可以为文字、音频、图片、视频等等。但是用这种编码方式，对应产生的碱基数量大，在DNA合成和测序过程中成本很高。在目前已有的研究中，最高的编码效率为1.18bits/base。
本发明中采用DNA碱基六联体(如：ATGCTG,CTGACA,TTCAGC,……)的随机组合直接编码汉字和标点符号，DNA碱基六联体一共有4096种不同的组合形式，所以可对应编码4096个不同的汉字和标点符号。本发明通过在计算机上编写代码，用DNA碱基六联体编码了3529个常用汉字和18个常用标点符号，还剩余549个DNA碱基六联体，可用来编码新的汉字和标点符号。将每个汉字或标点符号一一对应的DNA碱基六联体简称“密码”，4096个不同的密码对应编码的汉字和标点符号的集合成为“密码表”。
密码表如下所示：
DNA编码面临着几种实际的限制，首先，并不是所有的DNA序列能被均等的产生，生化限制命令带有高的GC含量的DNA序列或者长的均聚物产生(e.g.,AAAAAA…)是不符合要求的，由于它们很难合成并且易于测序发生错误。所以用同一个密码表编码不同的文本内容生成的DNA序列可能会不符合DNA合成和测序要求。因此，我们在计算机上开发了一款名为“DNATools”的DNA工具软件，通过点击菜单栏按扭“创建码表”即可随机生成不同的码表，根据文本内容选择合适的密码表；此外，还可将密码表中的汉字进行修改或添加更多的汉字，最终可以实现将所有的汉字及符号编码为DNA碱基序列。将汉字文本内容直接粘贴在软件的翻译框中，选择相应的密码表，即可翻译成对应的DNA碱基序列，方便快捷。
本发明中提出的信息编码方案利用DNA碱基六联体来直接编码汉字信息。编码效率为 14.72bit/nt，目前已有很多编码方案是通过将编码信息转换成二进制，用DNA碱基序列编码二进制信息，这种编码方式的编码效率为1.1bits/nt,编码相同的信息需要大量的核苷酸，大大提高了人工合成核苷酸序列合成和测序成本，提高编码效率。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程示意图。
图2为实施例凝胶电泳结果图。
具体实施方式
本发明公开了基于DNA载体的文字信息存储方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
实施例
1.序列合成
将仓央嘉措三首诗歌编码成DNA序列，再通过人工合成DNA，使用特定引物进行PCR扩增，用Sanger法测序，最后解码还原文本，以整个过程为例来详细说明一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法。
仓央嘉措三首诗歌的所有汉字和标点符号共计115个字符，大小为11kb，共11364bits。 DNA信息序列会添加两端的引物结合区、两端的序列保护区。最终人工合成的DNA片段包括引物结合区段，序列信息保护区段，信息区段(图1)。仓央嘉措三首诗歌内容简短，因此设为一个存储单元，合成一条DNA序列，长度为772bp。
引物结合区、信息保护序列的设计都满足以下三个条件：GC含量约为40-60％，避免单核苷酸重复>3bp，避免二级结构的形成。选用的引物序列为：正向引物F:AGATAGAGTGACGCTACAGAG，反向引物R：CTGTCAATCGCATCTGAGCGT。信息保护序列：TGGTTCCGTATGAGCCGTAA和AGTGCCTGACATACCTAGCT。将合成的序列连接到质粒(pUC57) 上，然后转入大肠杆菌中，将信息以质粒形式在细胞中存储。
比如：
仓央嘉措三首情诗：
仓央嘉措情诗
(一)
第一最好不相见
如此便可不相恋
第二最好不相知
如此便可不相思
(二)
姑娘不是娘生的，
怕是桃树上长的，
要不然她的爱情，
怎比桃花还谢得快呢？
(三)
热恋之时，
情话不要说完！
口渴之际，
池水不要喝干！
一旦情况有变，
到时后悔已晚。
AGATAGAGTGACGCTACAGAG(引物结合区)TGGTTCCGTATGAGCCGTAA(保护序列) AATATGAACTGATACCAATCTGACGCGGGCGAATAGCGCGATAAAAAACGCGACGCAATGAAAAAAGCCACAATAAATAAGGGGGATAGTAAGTCGATAAAAAGGCAAGACTGTAACAGAAAGGGGGATAGTGTACTTGCAATGAAAAATGCCACAATAA ATAAGGGGGATAGTACTGCTATAAAAAGGCAAGACTGTAACAGAAAGGGGGATAGTGATCCACGCGATAAAAATCGCGAC GAACCGGTTGCCAAGGGGGATTTTGTTGCCAACTCAACTCGTCGCATGGAAGAGGATTTTGGCAAGGATACGAAATAGAA GCGAACTCGTCGCATGGATACTAAGGGGTAAGTGATAAACACTCGTGTATTTGCGGGCCGCATGGACGTGAAGTAGGGCA AGATGAGGATGTATTAGAGGGCAGGTATCTAGACTGAACGCATCCGCGATAAAGACCGCGACGGTTCGGTACTTAAACGT ATGTTCCGCATGGCGGGCGAATTAAAGGGGGATACTGGGTGGATCTATCGCACAAAATACTAATCTAAACGTACAAAACG CATGAGCTAGAAGTCAAAGGGGGATACTGCCGCAAAAGGGCGCACAAAAAAAAACGTAGCGGGCATCAACAGGGCAACCT AACGCATGACGCACATGTTCAGTTCGGTGCGCAAACTGGTCCAACGCATT(保护序列) AGTGCCTGACATACCTAGCT)(引物结合区)CTGTCAATCGCATCTGAGCGT
值得说明的是，前段的括号中的内容指明的是括号前面的部分，后段括号中的内容指明的是括号后面的部分。
2.序列扩增和测序
将细菌进行培养，提取质粒，进行聚合酶链式反应；反应体系为50μl:mix:25μl；引物F:1.5μl，引物R:1.5μl；DNA:2μl，ddH2O:20μl；反应条件：95℃,5min；然后进行30个循环，循环为95℃,30s；56℃,30s；72℃,30min，最后72℃,5min。将扩增产物进行琼脂糖凝胶电泳、成像鉴定，如图2所示，用Sanger测序法对扩增产物测序。
3.文本信息还原
将测序获得的DNA序列还原为汉字文本的方法，包括：
(1)提供测序获得的DNA序列，通过序列峰图信息，将峰图两端信号不稳定的碱基删除；得到编码仓央嘉措三首诗歌内容的DNA序列。
(2)用相应的密码表将DNA信息序列还原为文本信息。

Claims (6)

1.一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法，其特征在于，包括存储过程和解码过程；存储过程包括以下过程：
建立信息序列，将文字信息文本内容划分成若干个存储单元，每个存储单元转换为一条DNA序列，从而将整个文本转换为多条DNA序列；
在信息序列两端分别添加20bp的保护序列；在保护序列两端添加引物结合区；
解码过程包括以下过程：
将细菌进行培养，提取质粒，进行聚合酶链式反应，得到扩增产物，将扩增产物进行琼脂糖凝胶电泳、成像鉴定，用Sanger测序法对扩增产物测序。
2.根据权利要求1所述的一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法，其特征在于，将测序获得的DNA还原为汉字文本，具体包括以下步骤：
(1)提供测序获得的DNA序列，通过序列峰图信息，将峰图两端信号不稳定的碱基删除，得到DNA序列。
(2)用相应的密码表将DNA信息序列还原为文本信息。
3.根据权利要求1所述的一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法，其特征在于，在保护序列的两端加上引物结合区，将最终合成的序列连接到质粒上，然后转入大肠杆菌中，将信息以质粒形式在细胞中存储。
4.根据权利要求1所述的一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法，其特征在于，采用DNA碱基六联体的不同组合建立密码表对汉字和标点符号进行编码。
5.根据权利要求1所述的一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法，其特征在于，对编码文字信息的DNA序列通过聚合酶链式反应进行拷贝，聚合酶链式反应的反应体系为50μl:mix:25μl；引物F:1.5μl，引物R:1.5μl；DNA:2μl，ddH2O:20μl；反应条件：95℃,5min；然后进行30个循环，循环为95℃,30s；56℃,30s；72℃,30min，最后72℃,5min。
6.根据权利要求4所述的一种用DNA作为文字信息高效存储介质的方法，其特征在于，通过DNA工具软件建立密码表，DNA工具软件包括码表创建模块，根据输入码表创建模块的文字信息，码表创建模块可随机生成若干个不同的密码表，用户可在码表创建模块选择最合适的密码表来对文字信息进行匹配；DNA工具软件还包括信息转换模块，信息转换模块将文字信息按照密码表上的密码转换成对应的信息序列，还可将序列信息还原为文字信息。
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