CN111489791B - 固态纳米孔高密度编码dna数字存储读取方法 - Google Patents

固态纳米孔高密度编码dna数字存储读取方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种固态纳米孔高密度编码DNA数字存储读取方法，属于纳米技术领域。该方法包括以下步骤：S1：建立DNA三维纳米结构库，包括DNA哑铃结构、DNA发夹结构、DNA结；S2：开发新型DNA三维纳米结构库数据地址编码策略，在DNA三维纳米结构库中选择任意一种或者两种结构分别对数据和地址进行编码；S3：搭建DNA存储快速读取系统；S4：高密度编码DNA存储解码。本发明实现DNA数字编码高通量、快速低成本读取，推动高密度DNA数据存储实用进程具有重要的科学意义。

Description

固态纳米孔高密度编码DNA数字存储读取方法
技术领域
本发明属于纳米技术领域，涉及固态纳米孔高密度编码DNA数字存储读取方法。
背景技术
脱氧核糖核酸(DNA)一直是生物遗传信息的载体，能将数量惊人的数据储存在极小的体积里，是最古老的信息储存系统。利用人工合成DNA作为存储介质的数据储存技术，将生命科学和大数据科学深度交叉融合，是一项着眼于未来并且具有划时代意义的前沿颠覆性科学技术。DNA作为一种不可变的、高延迟的信息存储需求的媒介，并不局限于平面层，而且常常是可读的，具有高效、存储量大、存储时间长、易获取且免维护等优势。早在1994年，DNA计算创始人伦纳德·阿德曼(Leonard M.Adleman)就发表报告称其成功将数据存储在DNA中。2012年，来自哈佛大学的合成生物学家George Church首次展示了DNA来存储数据。欧洲生物信息研究所(European Bioinformatics Institute)也在DNA储存了莎士比亚的十四行诗以及马丁·路德·金的演讲《我有一个梦想》的录音带。此外，2016年7月，微软称其在DNA存储技术上取得了突破性进展，已经成功利用DNA存储技术完成了约200MB数据的保存。2017年，顶级学术期刊《自然》报道了美国哈佛大学医学院赛斯·希普曼(SethShipman)团队成功地将一部视频短片存进了活的大肠杆菌里，并通过DNA测序将活细胞里的数据读取出来，标志着DNA作用海量存储装置的巨大潜力。同年，Yaniv Erlich和DinaZielinski在发表于《科学》的研究中描述了一种可以最大化DNA分子的数据存储能力的新编码技术，能够为每个核苷酸编码1.6比特(bits)的数据，达到了理论极限(1.8bits)的85％，该系统能够在一克DNA中存储215PB(2.15亿GB)，原则上可以将人类记录的所有数据存储在几辆卡车大小和重量的容器中。
然而，由于处于起步阶段，DNA数据存储技术存在诸多缺陷，面临着DNA合成难度大、数据编码/解码成本高等问题，比如，Erlich报道的DNA喷泉编码策略及其对应的解码算法复杂度较高，而且合成2兆字节的数据花费了7000美元，然后读取这些数据又花了2000美元，尚不能在短期之内得到普及。不过，一旦生物技术与存储技术相结合，存储成本也会降低，DNA数据存储技术将会对新的存储时代的到来起到引领及重要的推动作用。因此，开发新的DNA数据编码和解码技术，避免合成过程数据位的损失，提升DNA编码数据长读长能力，降低DNA数据存储的编码/解码成本，方可真正实现DNA数据存储规模化实际应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种固态纳米孔高密度编码DNA数字存储读取方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
固态纳米孔高密度编码DNA数字存储读取方法，该方法包括以下步骤：
S1：建立DNA三维纳米结构库，包括DNA哑铃结构、DNA发夹结构、DNA结；
S2：开发新型DNA三维纳米结构库数据地址编码策略，在DNA三维纳米结构库中选择任意一种或者两种结构分别对数据和地址进行编码；
S3：搭建DNA存储快速读取系统；
S4：高密度编码DNA存储解码。
可选的，所述编码策略包括：
(1)二进制编码：DNA载体链上有三维结构为“1”，无三维结构则为“0”，编码三维结构间隔一致，而且，三维结构为前述三维纳米结构库的某一种或者某一三维纳米结构组成的三维结构组；
(2)二进制编码：以DNA载体链上某一类三维结构的大小为依据，大的三维结构编码为“1”，小的结构编码为“0”，三维结构为前述三维纳米结构库的某一种或者某一三维纳米结构组成的三维结构组；
(3)四进制编码：以DNA载体链上某一类三维结构的大小为依据，设计四种大小的三维结构，分别编码为“0”、“1”、“2”、“3”或者编码为“00”、“01”、“10”、“11”。
可选的，所述步骤S3具体为：
(1)将玻璃毛细管孔径拉制2-5纳米；集成专用多通道玻璃毛细管夹持器，通道数为2-16通道；研制出多通道固态纳米孔检测器件；
(2)设计开发弱电流信号采集硬件电路，实现固态纳米孔电流阻塞信号的低噪声高速采集，开路电流噪声小于5皮安，采样速率为100千赫兹-200千赫兹；搭建嵌入式控制系统，为固态纳米孔检测器件提供多通道钳位电压，钳位电压100毫伏-500毫伏，实时采集各通道固态纳米孔阻塞电流信号；开发嵌入式数据处理软件，设计固态纳米孔阻塞电流信号软件滤波算法，实现大量数据的高性能缓存；依据通讯协议设计开发USB通信接口，实现数据与控制指令传输；
(3)搭建DNA数字存储快速读取上位机软件平台，设计人机对话界面，实现系统校准与数据采集控制、纳米孔阻塞电流预处理及编码DNA纳米孔信号解码、数据存储读取信息分析显示功能；
(4)上位机软件平台与硬件部分实现电磁屏蔽。
可选的，所述步骤S4具体为：
(1)按照编码策略，合成进行编码了的三维结构DNA载体；
(2)利用非对称的离子液体作为缓冲液，减缓DNA在玻璃毛细管固态纳米孔中的传输速率，提升DNA存储解码分辨率，其中离子液体为KCl、LiCl、NaCl；
(3)利用搭建DNA存储快速读取系统，实现高密度编码DNA数字存储读取。
本发明的有益效果在于：
以纳米孔技术为基础的单分子传感器，对待测分子在钳位电压作用下通过纳米孔时离子电流信号的精确识别与阻断时间分析，进而提供分子电荷、分子量和构象等各方面的信息，已经成功应用于核酸分子、蛋白质分子、金属离子及小分子检测。值得一提的是，纳米孔传感技术阻塞电流信号反映了过孔分析物的三维结构信息，直接将分子结构上的差异转化为电信号差异，进而可以在单分子水平上实现分子结构的识别。相关文献报道了纳米孔可以识别线性DNA链上不同的DNA纳米结构、蛋白质分子等目标检测物，实现DNA或蛋白质单分子特异性传感分析。然而，薄膜型固态纳米孔制备难度高，而且信噪比较低，严重影响了DNA三维结构超分辨识别能力。因此，利用锥形石英纳米孔高信噪比、高分辨、集成纳米孔系统长读长、可识别不同DNA三维结构的能力，Ulrich F.Keyser等利用DNA折纸原理设计了DNA纳米结构库，通过对DNA纳米结构进行数字编码，极大地降低了数据存储DNA合成的难度。因此，通过纳米孔对DNA链上不同三维结构差异的识别，以DNA三维结构对数据进行编码的新策略，研制新一代固态纳米孔DNA数字存储读取系统，实现DNA数字编码高通量、快速低成本读取，推动高密度DNA数据存储实用进程具有重要的科学意义。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为基于玻璃毛细管亚5纳米固态纳米孔的高密度编码DNA数字存储快速读取方法；
图2为固态纳米孔DNA存储解码原理图；
图3为纳米孔玻璃毛细管检测器件；
图4为DNA数字存储系统；
图5为DNA存储地址数据编码示意图。
附图标记：1-纳米孔径玻璃毛细管；2-正面；3-反面；4-三维DNA编码；5-电压源；6-电流表；7-电极；8-阻塞电流示意；9-地址解码；10-数据解码；11-检测池；12-纳米孔径玻璃毛细管；13-夹持器；14-检测电极；15-固态纳米孔检测器件；16-低噪声电流放大与数据采集器；17-电磁屏蔽罩；18-地址编码起始端；19-地址编码结束端；20-11个哑铃结构；21-哑铃结构单元；22-数据编码“1”；23-数据编码“0”；24-发夹结构1；25-发夹结构2。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1～图5所示，为固态纳米孔高密度编码DNA数字存储读取方法。图中，1为纳米孔径玻璃毛细管；2为正面；3为反面；4为三维DNA编码；5为电压源；6为电流表；7为电极；8为阻塞电流示意；9为地址解码；10为数据解码；11为检测池；12为纳米孔径玻璃毛细管；13为夹持器；14为检测电极；15为固态纳米孔检测器件；16为低噪声电流放大与数据采集器；17为电磁屏蔽罩；18为地址编码起始端；19为地址编码结束端；20为11个哑铃结构；21为哑铃结构单元；22为数据编码“1”；23为数据编码“0”；24为发夹结构1(16碱基对)；25为发夹结构2(8碱基对)。
一种新型DNA三维纳米结构库数据地址编码策略和基于玻璃毛细管亚5纳米固态纳米孔的高密度编码DNA存储快速读取方法，实现高密度编码DNA存储与高通量、快速、低成本读取。基于玻璃毛细管亚5纳米固态纳米孔的高密度编码DNA存储快速读取系统方案如图1所示。
本发明提供如下技术方案：
1.建立DNA三维纳米结构库，包括DNA哑铃结构、DNA发夹结构、DNA结；
2.开发新型DNA三维纳米结构库数据地址编码策略，在前述DNA三维纳米结构库中选择任意一种或者两种结构分别对数据和地址进行编码；
编码策略包括：
(1)二进制编码：DNA载体链上有三维结构为“1”，无三维结构则为“0”，此种编码三维结构间隔一致，而且，三维结构为前述三维纳米结构库的某一种或者某一三维纳米结构组成的三维结构组；
(2)二进制编码：以DNA载体链上某一类三维结构的大小为依据，大的三维结构编码为“1”，小的结构编码为“0”，三维结构为前述三维纳米结构库的某一种或者某一三维纳米结构组成的三维结构组；
(3)四进制编码：以DNA载体链上某一类三维结构的大小为依据，设计四种大小的三维结构，分别编码为“0”、“1”、“2”、“3”或者编码为“00”、“01”、“10”、“11”；
3.搭建DNA存储快速读取系统
(1)将玻璃毛细管孔径拉制2-5纳米；集成专用多通道玻璃毛细管夹持器，通道数为2-16通道；研制出多通道固态纳米孔检测器件；
(2)设计开发弱电流信号采集硬件电路，实现固态纳米孔电流阻塞信号的低噪声高速采集，开路电流噪声小于5皮安，采样速率为100千赫兹-200千赫兹；搭建嵌入式控制系统，为固态纳米孔检测器件提供多通道钳位电压，钳位电压100毫伏-500毫伏，实时采集各通道固态纳米孔阻塞电流信号；开发嵌入式数据处理软件，设计固态纳米孔阻塞电流信号软件滤波算法，实现大量数据的高性能缓存；依据通讯协议设计开发USB通信接口，实现数据与控制指令传输；
(3)搭建DNA数字存储快速读取上位机软件平台，设计友好人机对话界面，实现系统校准与数据采集控制、纳米孔阻塞电流预处理及编码DNA纳米孔信号解码、数据存储读取信息分析显示功能；
(4)特别地，上位机软件平台与硬件部分实现电磁屏蔽；
4.高密度编码DNA存储解码
(1)按照前述编码策略，合成进行编码了的三维结构DNA载体；
(2)利用非对称的离子液体作为缓冲液，减缓DNA在玻璃毛细管固态纳米孔中的传输速率，提升DNA存储解码分辨率，其中离子液体为KCl(氯化钾)、LiCl(氯化锂)、NaCl(氯化钠)；
(3)利用搭建DNA存储快速读取系统，实现高密度编码DNA数字存储快速读取；
实施例一
1.建立DNA三维纳米结构库，包括DNA哑铃结构、DNA发夹结构；
2.开发新型DNA三维纳米结构库数据地址编码策略，选择DNA哑铃结构对地址进行编码，DNA发夹结构对数据进行编码；
编码策略为：如图5所示，地址利用DNA哑铃结构组进行编码，一位由9个哑铃结构组成，每个哑铃结构包含10个碱基对，DNA载体链上有三维哑铃结构时为“1”，无哑铃结构组时为“0”；数据利用DNA发夹结构进行编码，以DNA载体链上三维发夹结构的大小为依据，16个碱基对时编码为“1”，8个碱基对时编码为“0”；
3.搭建DNA存储快速读取系统
4.高密度编码DNA存储解码
实施例二
1.如图4所示，搭建DNA存储快速读取系统
(1)如图3所示，将玻璃毛细管孔径拉制5纳米；集成专用四通道玻璃毛细管夹持器，研制出四通道固态纳米孔检测器件；
(2)设计开发弱电流信号采集硬件电路，实现固态纳米孔电流阻塞信号的低噪声高速采集，开路电流噪声小于5皮安，采样速率为200千赫兹；搭建嵌入式控制系统，为固态纳米孔检测器件提供多通道钳位电压，钳位电压200毫伏，实时采集各通道固态纳米孔阻塞电流信号；开发嵌入式数据处理软件，设计固态纳米孔阻塞电流信号软件滤波算法，实现大量数据的高性能缓存；依据通讯协议设计开发USB通信接口，实现数据与控制指令传输；
(3)搭建DNA存储快速读取上位机软件平台，设计友好人机对话界面，实现系统校准与数据采集控制、纳米孔阻塞电流预处理及编码DNA纳米孔信号解码、数据存储读取信息分析显示功能；
(4)特别地，上位机软件平台与硬件部分实现电磁屏蔽；
实施例三
1.高密度编码DNA存储解码
(1)按照前述编码策略，合成进行编码了的三维结构DNA载体；
(2)利用非对称的离子液体作为缓冲液，减缓DNA在玻璃毛细管固态纳米孔中的传输速率，提升DNA存储解码分辨率，其中离子液体为LiCl(氯化锂)；
(3)利用搭建DNA存储快速读取系统，实现高密度编码DNA存储快速读取；
综上所述，本发明提供的一种新型DNA三维纳米结构库数据地址编码策略和基于玻璃毛细管亚5纳米固态纳米孔的高密度编码DNA存储快速读取系统，实现高密度编码DNA存储与高通量、快速、低成本读取。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已经进行了详细的说明，但是本领域人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明专利的权利要求范围当中。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.固态纳米孔高密度编码DNA数字存储读取方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：建立DNA三维纳米结构库，包括DNA哑铃结构、DNA发夹结构、DNA结；
S2：开发新型DNA三维纳米结构库数据地址编码策略，在DNA三维纳米结构库中选择任意一种或者两种结构分别对数据和地址进行编码；
S3：搭建DNA存储快速读取系统；
S4：高密度编码DNA存储解码；
所述S3具体为：
(1)将玻璃毛细管孔径拉制2-5纳米；集成专用多通道玻璃毛细管夹持器，通道数为2-16通道；研制出多通道固态纳米孔检测器件；
(2)设计开发弱电流信号采集硬件电路，实现固态纳米孔电流阻塞信号的低噪声高速采集，开路电流噪声小于5皮安，采样速率为100千赫兹-200千赫兹；搭建嵌入式控制系统，为固态纳米孔检测器件提供多通道钳位电压，钳位电压100毫伏-500毫伏，实时采集各通道固态纳米孔阻塞电流信号；开发嵌入式数据处理软件，设计固态纳米孔阻塞电流信号软件滤波算法，实现大量数据的高性能缓存；依据通讯协议设计开发USB通信接口，实现数据与控制指令传输；
(3)搭建DNA数字存储快速读取上位机软件平台，设计人机对话界面，实现系统校准与数据采集控制、纳米孔阻塞电流预处理及编码DNA纳米孔信号解码、数据存储读取信息分析显示功能；
(4)上位机软件平台与硬件部分实现电磁屏蔽。
2.根据权利要求1所述的固态纳米孔高密度编码DNA数字存储读取方法，其特征在于：所述编码策略包括：
(1)二进制编码：DNA载体链上有三维结构为“1”，无三维结构则为“0”，编码三维结构间隔一致，而且，三维结构为前述三维纳米结构库的某一种或者某一三维纳米结构组成的三维结构组；
(2)二进制编码：以DNA载体链上某一类三维结构的大小为依据，大的三维结构编码为“1”，小的结构编码为“0”，三维结构为前述三维纳米结构库的某一种或者某一三维纳米结构组成的三维结构组；
(3)四进制编码：以DNA载体链上某一类三维结构的大小为依据，设计四种大小的三维结构，分别编码为“0”、“1”、“2”、“3”或者编码为“00”、“01”、“10”、“11”。
3.根据权利要求2所述的固态纳米孔高密度编码DNA数字存储读取方法，其特征在于：
所述S4具体为：
(1)按照编码策略，合成进行编码了的三维结构DNA载体；
(2)利用非对称的离子液体作为缓冲液，减缓DNA在玻璃毛细管固态纳米孔中的传输速率，提升DNA存储解码分辨率，其中离子液体为KCl、LiCl、NaCl；
(3)利用搭建DNA存储快速读取系统，实现高密度编码DNA数字存储读取。
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