CN112768003B - 一种基于dna短链杂交的信息存储方法 - Google Patents

一种基于dna短链杂交的信息存储方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于DNA短链杂交的信息存储方法，本发明写入信息时将信息转换为二进制代码，以N位二进制对应一组N条DNA短链的2N种组合状态；根据DNA短链的组合状态，将DNA短链与磁珠或固体表面进行交联反应制备交联链，从而将信息存储在交联的DNA短链组合状态中；读取存储信息时，将互补的荧光标记探针与交联的DNA短链杂交，洗涤后，经荧光检测探针的组合状态，得到DNA短链组合，进而转换为N位为一组的二进制代码，将所有的二进制代码按顺序串联组合后，还原为原始存储信息。本发明不依赖于DNA合成技术和DNA测序技术，可以实现信息在DNA媒介的快速存储和读取，准确率高，具有高并行和高通量发展潜力。

Description

一种基于DNA短链杂交的信息存储方法
技术领域
本发明属于DNA存储技术，具体涉及一种基于DNA短链杂交的信息存储方法。
背景技术
当今世界，信息系统主要建立在电子计算机和互联网的基础上，采用基于电子技术的存储设备来实现的。但是，基于电子技术的存储设备抗打击能力差，信息安全难以保障。传统电子信息存储介质在数据保存时间、存储容量、保存环境等方面均受物理限制。DNA存储技术是生物技术在信息存储领域的全新应用，DNA具有保存时间长、存储信息容量大，且环境适应能力强等优点，是数字信息存储的理想介质，是美国等发达国家竞相研发的热点。
典型的基于DNA合成和测序的信息存储技术，即以碱基作为信息编码单元，将碱基位点的AGCT信息与二进制信息建立一一对应关系，具有抗电磁打击能力强，数据密度高的优势。但该方案虽然信息存储量大，但目前存在读写成本高、时间长等问题，DNA合成与测序耗时较长，成本高，并行性差，距实际应用还有很多技术问题需要解决。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述的不足，本发明提供了一种DNA短链信息存储方法及系统，不需要经过DNA合成与测序，将信息以编码链组合的方式存储，利用荧光标记互补探针与编码链的杂交实现信息读取，本发明通过快速的交联和杂交反应，高度并行，实现了存储信息的快速存取，能够充分发挥生物系统天然优势。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：
一种基于DNA短链杂交的信息存储方法，包括下述写入信息步骤：
1)将写入信息转换为二进制代码；
2)将二进制代码以N位为一组转换为DNA短链的组合状态，其中N为自然数；
3)根据各组二进制代码的DNA短链的组合状态，将对应的DNA短链与磁珠或固体表面进行交联反应，将DNA短链交联在数据存储微池，从而将写入信息存储在交联的DNA短链组合中。
可选地，步骤1)中将写入信息转换为二进制代码时，写入信息为文本、图片或语音。
可选地，步骤3)中将对应的DNA短链与磁珠或固体表面进行交联反应，将DNA短链交联在数据存储微池的步骤包括：
3.1)在含有化学偶联基团磁珠的数据存储微池或固定有NHS基团的固体表面加入带有末端修饰的DNA短链，和缓冲液，其中化学偶联基团磁珠是指化学偶联有羧基或NHS基团的磁珠；
3.2)控制DNA短链与加入数据存储微池中的化学偶联基团磁珠或固定有NHS基团的固体表面进行交联反应；
3.3)在交联反应完成后进行封闭和洗涤形成交联链，从而完成存储信息的写入。
可选地，步骤3.1)中末端修饰的DNA短链为氨基修饰的DNA短链，且所述氨基修饰DNA短链的长度为16nt或20nt。
可选地，步骤3.1)中加入带有末端修饰的DNA短链时，每10ul化学偶联基团磁珠上交联的末端修饰的DNA短链总量不超过3.2×10-11mol。
可选地，步骤3.2)中进行交联反应时，交联反应的工艺参数为：温度为37摄氏度；时间为2小时；封闭液为100mM Tris,且PH值为8.0。
可选地，还包括下述读取信息的步骤：
7.1)在交联有DNA短链的数据存储微池中加入荧光标记的互补探针进行杂交反应；
7.2)在杂交反应完成后进行多次洗涤以去除多余的荧光标记互补探针；
7.3)将多次洗涤后的数据存储微池使用荧光检测方法，检测数据存储微池中的探针组合，进而得到DNA短链组合；
7.4)将DNA短链组合状态转换为以N位为一组的二进制代码，然后将所有组的二进制代码按顺序串联组合后，再转换为原始的存储信息内容，其中N为自然数。
可选地，步骤7.1)中在交联有DNA短链的数据存储微池中加入荧光标记的互补探针进行杂交反应时，加入的荧光标记互补探针为与DNA短链互补的荧光标记寡核苷酸探针。
可选地，所述荧光标记寡核苷酸探针分别包括：488荧光标记互补探针，激发波长493nm，发射波长518nm；Cy3荧光标记互补探针，激发波长540nm,发射波长566nm；Cy5荧光标记互补探针激发波长648nm,发射波长676nm；Cy7荧光标记互补探针,激发波长742nm,发射波长778nm。
可选地，步骤7.1)中进行杂交反应时，杂交反应的工艺参数为：初始温度37摄氏度，且自然降温至25摄氏度；杂交反应的时间为30分钟。
和现有技术相比，本发明具有的有益效果包括：
1、本发明的信息存储过程不依赖DNA合成与DNA测序技术，没有技术约束。
2、相比依赖DNA合成与DNA测序技术的信息存储技术而言，本发明的信息存储过程不依赖DNA合成与DNA测序技术，因此具有更快速的存取时间。
3、本发明可随着基材上单位面积数据存储微池数量的增加，以及加样和荧光检测技术精度的提升，可进一步提高信息密度，实现高并行，高通量。
综上所述，本发明独辟蹊径，通过构建DNA短链组合并建立DNA短链组合与二进制信息的映射关系，实现信息的存储，该技术方案有效规避了合成与测序环节，且具有存取速度快，成本低等特点，具有更好的应用前景
附图说明
图1是本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2是本发明实施例方法的基本原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例或者附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本实施例基于DNA短链杂交的信息存储方法包括下述写入信息步骤：
1)将写入信息转换为二进制代码；
2)将二进制代码以N位为一组转换为DNA短链的组合状态(N条DNA短链有2N种组合状态)，其中N为自然数；
3)根据各组二进制代码DNA短链的组合状态，将对应的DNA短链与磁珠或固体表面进行交联反应，将DNA短链交联在数据存储微池，从而将信息存储在交联的DNA短链组合中。
作为一种可选的实施方式，本实施例的存储信息为文本，将写入信息转换为二进制代码时，将文本信息转换为二进制机内码。此外也可以根据需要存储其他格式或形式的数据，例如图片或语音等，可以根据需要采用所需的二进制编码方式，将信息转换为二进制代码。
本实施例中，步骤1)中将存储信息转换为二进制代码时，使用16位二进制对汉字进行编解码，且使用8位二进制对标点符号进行编解码。作为一种可选的实施方式，本实施例采用多块96孔板(密布了按某种规则分布的96个数据存储微池，每个数据存储微池为一个信息存储单元)作为信息读取载体，在去除4个校验位后，每块基板还剩92个数据存储微池可用于存储信息。
本实施例中，步骤3)中将对应的DNA短链与磁珠或固体表面进行交联反应，将DNA短链交联在数据存储微池的步骤包括：
3.1)在含有化学偶联基团磁珠的数据存储微池或固定有NHS基团的固体表面加入带有末端修饰的DNA短链，和缓冲液，其中化学偶联基团磁珠是指化学偶联有羧基或NHS基团的磁珠；
3.2)控制DNA短链与加入数据存储微池中的化学偶联基团磁珠或固定有NHS基团的固体表面进行交联反应；
3.3)在交联反应完成后进行封闭和洗涤形成交联链，从而完成存储信息的写入。
本实施例中，进行封闭为采用封闭液封闭进一步反应位点，洗涤为采用洗涤液洗涤未交联成份。需要说明的是，NHS基磁珠或固体表面所采用的缓冲液、封闭液、洗涤液均为现有技术，本实施例中仅涉及上述溶液的应用，并不涉及对上述溶液配方的改进，因此其配方在此不再展开说明。
本实施例中，步骤3.1)中末端修饰的DNA短链为氨基修饰的DNA短链，且氨基修饰DNA短链的长度为16nt或20nt。
本实施例中，步骤3.1)中加入带有末端修饰的DNA短链时，每10ul化学偶联基团磁珠上交联的末端修饰的DNA短链总量不超过3.2×10-11mol。
本实施例中，步骤3.2)中进行交联反应时，交联反应的工艺参数为：温度为37摄氏度；时间为2小时；封闭液为100mM Tris,且PH值为8.0。
如图1所示，本实施例还包括下述读取存储信息的步骤：
7.1)在交联有DNA短链的数据存储微池中加入荧光标记的互补探针进行杂交反应；
7.2)在杂交反应完成后进行多次洗涤以去除多余的荧光标记互补探针；
7.3)将多次洗涤后的数据存储微池使用荧光检测方法，检测数据存储微池中探针组合，进而得到DNA短链组合；
7.4)将DNA短链组合状态转换为以N位为一组的二进制代码，然后将所有组的二进制代码，按顺序组合并转换为原始的存储信息内容，其中N为自然数。
本实施例中，步骤7.1)中在交联有DNA短链的数据存储微池中加入荧光标记的互补探针进行杂交反应时，加入的荧光标记互补探针为与DNA短链互补的荧光标记寡核苷酸探针。
本实施例中，荧光标记寡核苷酸探针分别包括：
488荧光标记互补探针，激发波长493nm，发射波长518nm；
Cy3荧光标记互补探针，激发波长540nm,发射波长566nm；
Cy5荧光标记互补探针激发波长648nm,发射波长676nm；
Cy7荧光标记互补探针,激发波长742nm,发射波长778nm。
此外，还可以根据需要选择采用其他荧光标记寡核苷酸探针。
本实施例中，步骤7.1)中进行杂交反应时，杂交反应的工艺参数为：初始温度37摄氏度，且自然降温至25摄氏度；杂交反应的时间为30分钟。
本实施例中，步骤7.1)中是在八联管中进行的，将反应液(磁珠或固体表面)从八联管转移至96孔板对应的数据存储微池中，用荧光检测装置检测数据存储微池中探针组合状态，实现信号的读取。最终，将读取的信号导入到编解码软件中，成功读出原始的存储内容。
寡核苷酸短链(DNA短链)以化学共价交联的方式固定在存储基材表面的数据存储微池里，和与之互补配对的探针杂交后，即可通过荧光检测装置检测到荧光，反之则无；数据存储微池的荧光是荧光标记互补探针反射光的结果。数据存储微池只有能与荧光标记互补探针#1配对的寡核苷酸短链(DNA短链)，例如用#1/#2两种探针杂交，清洗后只会留下荧光标记互补探针#1。96孔板表面的数据存储微池按规则排成阵列：假设A、B、C、D是阵列中的其中四个数据存储微池，A点交联了与#1探针互补的寡核苷酸短链，B点交联了与#2色探针互补的寡核苷酸短链，C点交联了与#1#2两种探针互补的寡核苷酸短链，D点没有交联这两种短链(不包括两者中任一种)。则杂交后A、B、C、D四个微池检测到的荧光，分别为#1、#2、#1#2、无，分别对应10、01、11、00四组二进制信息。
综上所述，本实施例基于DNA短链杂交的信息存储方法，以每个数据存储微池交联的寡核苷酸短链组合作为编码信息。每个寡核苷酸短链有唯一的荧光标记互补探针与之配对，在读取信息时，通过检测探针组合，就可得到数据存储微池存储的编码信息。
为了验证本实施例基于DNA短链杂交的信息存储方法的性能，下文将本实施例基于DNA短链杂交的信息存储方法与现有合成与测序方式进行实验对比，本实例具有高并行和快速读写性、良好的扩展与保密性等优势。
此外，本实施例还提供一种基于DNA短链杂交的信息存储系统，包括：
交联平台，用于根据各组二进制代码的DNA短链组合状态，将对应的DNA短链与磁珠或固体表面进行交联反应，将DNA短链组合固定在基材的数据存储微池中，实现信息写入；
杂交平台，用于在数据存储微池中加入荧光标记互补探针进行杂交反应；
荧光读取系统，用于识别所述荧光标记互补探针的组合状态；
编解码软件，用于将需要存储的信息转换成二进制，并编码为DNA短链组合序列，以及对荧光读取系统产生的数据转换成二进制序列，并还原成可读信息。
需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于DNA短链杂交的信息存储方法，其特征在于，包括下述信息写入的步骤：
1）将写入信息转换为二进制代码；
2）将二进制代码以N位为一组转换为DNA短链的组合状态，其中N为自然数；
3）根据各组二进制代码的DNA短链的组合状态，将对应的DNA短链与磁珠或固体表面进行交联反应，将DNA短链交联在数据存储微池，从而将写入信息存储在交联的DNA短链中；
所述将对应的DNA短链与磁珠或固体表面进行交联反应，将DNA短链交联在数据存储微池的步骤包括：3.1）在含有化学偶联基团磁珠的数据存储微池或固定有NHS基团的固体表面加入带有末端修饰的DNA短链，和缓冲液，其中化学偶联基团磁珠是指化学偶联有羧基或NHS基团的磁珠；3.2）控制DNA短链与加入数据存储微池中的化学偶联基团磁珠或固定有NHS基团的固体表面进行交联反应；3.3）在交联反应完成后进行封闭和洗涤，形成交联链，从而完成存储信息的写入。
2.根据权利要求1所述的基于DNA短链杂交的信息存储方法，其特征在于，步骤1）中将写入信息转换为二进制代码时，写入信息为文本、图片或语音。
3.根据权利要求1所述的基于DNA短链杂交的信息存储方法，其特征在于，步骤3.1）中末端修饰的DNA短链为氨基修饰的DNA短链，且所述氨基修饰DNA短链的长度为16nt或20nt。
4.根据权利要求3所述的基于DNA短链杂交的信息存储方法，其特征在于，步骤3.1）中加入带有末端修饰的DNA短链时，每10ul 化学偶联基团磁珠上交联的末端修饰的DNA短链总量不超过3.2x10-11mol。
5.根据权利要求4所述的基于DNA短链杂交的信息存储方法，其特征在于，步骤3.2）中进行交联反应时，交联反应的工艺参数为：温度为37摄氏度；时间为2小时；封闭液为100mMTris, 且PH值为8.0。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的基于DNA短链杂交的信息存储方法，其特征在于，还包括下述读取存储信息的步骤：
7.1）在交联有DNA短链的数据存储微池中加入荧光标记的互补探针进行杂交反应；
7.2）在杂交反应完成后进行多次洗涤以去除多余的荧光标记互补探针；
7.3）将多次洗涤后的数据存储微池使用荧光检测方法，检测数据存储微池中探针组合，进而得到DNA短链组合；
7.4）将DNA短链组合状态转换为以N位为一组的二进制代码，然后将所有组的二进制代码按顺序串联组合后，再转换为原始的存储信息内容，其中N为自然数。
7.根据权利要求6所述的基于DNA短链杂交的信息存储方法，其特征在于，步骤7.1）中在交联有DNA短链的数据存储微池中加入荧光标记的互补探针进行杂交反应时，加入的荧光标记互补探针为与DNA短链互补的荧光标记寡核苷酸探针。
8.根据权利要求7所述的基于DNA短链杂交的信息存储方法，其特征在于，所述荧光标记寡核苷酸探针分别包括四种：488荧光标记互补探针，激发波长493nm，发射波长518nm；Cy3荧光标记互补探针，激发波长540nm,发射波长566nm；Cy5荧光标记互补探针激发波长648nm,发射波长676nm；Cy7荧光标记互补探针,激发波长742nm,发射波长778nm。
9.根据权利要求6所述的基于DNA短链杂交的信息存储方法，其特征在于，步骤7.1）中进行杂交反应时，杂交反应的工艺参数为：初始温度37摄氏度，且自然降温至25摄氏度；杂交反应的时间为30分钟。
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