CN113096742B - 一种dna信息存储并行寻址写入方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种DNA信息存储并行寻址写入方法及系统，本发明包括将目标信息转换为二进制代码，并根据DNA信息存储介质上的数据存储微池布置规则编码成对应的DNA编码链组合，从DNA编码链库中选取对应的DNA编码链制备DNA编码链混合溶液并覆盖在DNA信息存储介质上，使DNA编码链在对应的数据存储微池中与互补配对的DNA地址链进行杂交反应，最后对数据存储微池进行封闭和洗涤完成目标信息的写入。本发明不需经过DNA长链合成，而是将编码了信息的DNA短链组合与地址链进行快速的杂交反应，实现了DNA信息存储写入功能的高度并行，能够充分发挥生物系统天然优势。
Description
技术领域
本发明属于DNA存储技术，具体涉及一种DNA信息存储并行寻址写入方法及系统。
背景技术
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。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，将碱基位点的序列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。虽然该方案信息存储量大，但存在读写时间长、并行性差等问题，制约了该技术的实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种DNA信息存储并行寻址写入方法及系统，本发明的信息存储过程不需要经过DNA合成，只需将编码了信息的DNA短链组合，并行写入存储介质。本发明通过快速的杂交反应，实现了DNA信息存储写入功能的高度并行，能够充分发挥生物系统天然优势。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种DNA信息存储并行寻址写入方法，包括：
1)将目标信息转换为二进制代码；
2)根据DNA信息存储介质上的数据存储微池布置规则，将转换得到的二进制代码编码成对应的DNA编码链组合，依据DNA编码链组合从预先制备的DNA编码链库中选取对应的DNA编码链，制备包含所有被选取DNA编码链的DNA编码链混合溶液；所述DNA编码链库中的所有DNA编码链均一端带有作为地址适配器的地址适配区，所述地址适配器与交联在DNA信息存储介质的某个数据存储微池中的DNA地址链唯一互补配对以实现在DNA信息存储介质上的自动寻址；所述DNA信息存储介质上排列有数据存储微池组成的阵列，每个数据存储微池都固定有唯一的DNA地址链且各不相同，且每一个数据存储微池都在DNA编码链库中有与之互补配对的DNA编码链组合；
3)将制备的DNA编码链混合溶液覆盖在DNA信息存储介质上，使DNA编码链在对应的数据存储微池中与互补配对的DNA地址链进行杂交反应，从而将DNA编码链杂交在数据存储微池中，使得目标信息存储在DNA信息存储介质上；
4)对数据存储微池进行封闭和洗涤，完成目标信息的写入。
可选地，步骤1)之前包括预先建立DNA编码链库并制备DNA信息存储介质的步骤。
可选地，所述DNA编码链库中的所有DNA编码链均为单链。
可选地，所述DNA编码链的地址适配器为与某个数据存储微池中的DNA地址链唯一互补配对的寡核苷酸短链，所述DNA地址链为寡核苷酸单链。
可选地，步骤3)中进行杂交反应时的环境温度为80摄氏度，杂交反应后自然降温至25摄氏度。
可选地，步骤3)中进行杂交反应时的杂交反应的时间为30分钟。
可选地，步骤3)中进行杂交反应时采用的缓冲液和洗涤液为5xSSC。
此外，本发明还提供一种用于前述DNA信息存储并行寻址写入方法的DNA信息存储介质，包括存储基材，所述存储基材的表面上排列有数据存储微池组成的阵列，每个数据存储微池都固定有唯一的DNA地址链且各不相同，且每一个数据存储微池都在DNA编码链库中有与之互补配对的DNA编码链组合。
此外，本发明还提供一种DNA信息存储并行寻址写入系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行所述DNA信息存储并行寻址写入方法的步骤。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述DNA信息存储并行寻址写入方法的计算机程序。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：
1、本发明的信息存储过程不依赖DNA合成技术，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，本发明信息写入高度并行，所有信息一次同时写入，因此具有更快速的写入时间。
3、本发明在将信息批量存储时，其写入时间将进一步缩短，成本将更低，有效实现高并行，高通量。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例中地址1001对应的数据存储微池形成的DNA短链组合示意图。
图3为本发明实施例中地址1002对应的数据存储微池形成的DNA短链组合示意图。
具体实施方式
下文将以写入目标信息“DNA存储”为例，对本发明DNA信息存储并行寻址写入方法及系统进行进一步的详细说明。
如图1所示，本实施例DNA信息存储并行寻址写入方法包括：
1)将目标信息转换为二进制代码；
2)根据DNA信息存储介质上的数据存储微池布置规则，将转换得到的二进制代码编码成对应的DNA编码链组合，依据DNA编码链组合从预先制备的DNA编码链库中选取对应的DNA编码链，制备包含所有被选取DNA编码链的DNA编码链混合溶液；所述DNA编码链库中的所有DNA编码链均一端带有作为地址适配器的地址适配区，所述地址适配器与交联在DNA信息存储介质的某个数据存储微池中的DNA地址链唯一互补配对以实现在DNA信息存储介质上的自动寻址；所述DNA信息存储介质上排列有数据存储微池组成的阵列，每个数据存储微池都固定有唯一的DNA地址链且各不相同，且每一个数据存储微池都在DNA编码链库中有与之互补配对的DNA编码链组合；
3)将制备的DNA编码链混合溶液覆盖在DNA信息存储介质上，使DNA编码链在对应的数据存储微池中与互补配对的DNA地址链进行杂交反应，从而将DNA编码链杂交在数据存储微池中，使得目标信息存储在DNA信息存储介质上；
4)对数据存储微池进行封闭和洗涤，完成目标信息的写入。
本实施例中，步骤1)之前包括预先建立DNA编码链库并制备DNA信息存储介质的步骤。本实施例中，每个数据存储微池都有与之配对的N个DNA编码链储存库，这N个DNA编码链储存库中存储了只能与交联在对应微池的地址码配对杂交的DNA编码链。假设DNA编码链储存库的数量N为32，根据编码软件计算结果，从地址为1001和1002分别对应的32个DNA编码链储存库中选取DNA编码链，形成编码链混合溶液，步骤1)中目标信息“DNA存储”转换为二进制代码，以及步骤2)中选择对应的DNA编码链的结果如表1所示。
表1：目标信息的二进制代码转换结果表。
参见表1，例如针对目标信息“DNA存储”中的“D”，转换得到的二进制代码为10000110，选择的DNA编码链为C4,C6,C7。
本实施例中，步骤2)中DNA编码链库中的所有DNA编码链均为单链，从而可与地址链实现互补配对。
本实施例中，DNA编码链的地址适配器为与某个数据存储微池中的DNA地址链唯一互补配对的寡核苷酸短链，所述DNA地址链为寡核苷酸单链。
本实施例中，地址适配器、DNA地址链(地址码)互补配对具体如表2所示。
表2：适配器、地址码互补配对表。
参见表1，例如针对地址1001，地址码“TTAGCTATTAGCTATTAGCTA”和对应的地址适配器“AATCGATAATCGATAATCGAT”两者互补配对，由于碱基的互补配对是碱基的基本常识，故在此不再详细说明。
本实施例中，步骤3)中进行杂交反应时的环境温度为80摄氏度，杂交反应后自然降温至25摄氏度。
本实施例中，步骤3)中进行杂交反应时的杂交反应的时间为30分钟。
本实施例中，步骤3)中进行杂交反应时采用的缓冲液和洗涤液为5xSSC。
最终本实施例针对地址为1001和1002分别对应的数据存储微池，地址为1001对应的数据存储微池形成的DNA短链组合如图2所示，地址为1002对应的数据存储微池形成的DNA短链组合如图3所示。
综上所述，本实施例DNA信息存储并行寻址写入方法实现了一套预制的DNA编码链库和一种交联了DNA地址链的存储介质，编码链库中的所有编码链都有一端为地址适配区(地址适配器)，地址适配器与交联在存储介质某个微池中的地址码唯一互补配对，从而实现在介质上自动寻址。存储前，先将目标信息转换为二进制代码，再转换成预制编码链库中的编码链组合。写入信息时，根据转换的编码链组合从对应的各个库中取出相应的编码链制备混合溶液，然后将混合溶液覆盖在存储介质表面上，每条编码链依靠其地址适配器与对应微池中的互补地址链进行杂交反应，将目标信息以DNA编码链组合的形式固定在数据存储点阵中；介质经封闭和洗涤后完成写入。本实施例DNA信息存储并行寻址写入方法通过构建地址码和与之配对的DNA编码链组合库，建立DNA编码链组合与二进制信息的映射关系，实现信息高效并行写入，有效规避了合成(不需经过DNA长链合成)，而是将编码了信息的DNA短链组合与地址链进行快速的杂交反应，实现了DNA信息存储写入功能的高度并行，具有写入速度快、成本低等特点，能够充分发挥生物系统天然优势，具有良好的应用前景。
此外，本实施例还提供一种前述DNA信息存储并行寻址写入方法的DNA信息存储介质，包括存储基材，存储基材的表面上排列有数据存储微池组成的阵列，每个数据存储微池都固定有唯一的DNA地址链且各不相同，且每一个数据存储微池都在DNA编码链库中有与之互补配对的DNA编码链组合。本实施例中，每个数据存储微池以化学共价交联的方式固定了很多长度不短于指定长度的寡核苷酸单链作为地址码，每个数据存储微池中的地址码的碱基序列完全相同，不同数据存储微池的地址码均不相同。作为一种可选的实施方式，本实施例中指定长度为21nt。作为一种可选的实施方式，本实施例中以高分子聚合物或二氧化硅作为存储基材，基材上密布按约定规则排列的数据存储微池，每个数据存储微池为一个信息存储单元。在具体使用前述DNA信息存储介质时，将编码链混合溶液均匀覆盖在密布了微池的基材上，使DNA编码链与对应的地址链在微池中进行充分的杂交反应，将DNA编码链杂交在数据存储微池中，从而将信息存储在DNA短链组合中。在杂交反应完成后，进行封闭和洗涤，从而完成存储信息的写入。
此外，本实施例还提供一种DNA信息存储并行寻址写入系统，包括相互连接的微处理器和存储器，该微处理器被编程或配置以执行前述DNA信息存储并行寻址写入方法的步骤。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述DNA信息存储并行寻址写入方法的计算机程序。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种DNA信息存储并行寻址写入方法，其特征在于，包括：
1)将目标信息转换为二进制代码；
2)根据DNA信息存储介质上的数据存储微池布置规则，将转换得到的二进制代码编码成对应的DNA编码链组合，依据DNA编码链组合从预先制备的DNA编码链库中选取对应的DNA编码链，制备包含所有被选取DNA编码链的DNA编码链混合溶液；所述DNA编码链库中的所有DNA编码链均一端带有作为地址适配器的地址适配区，所述地址适配器与交联在DNA信息存储介质的某个数据存储微池中的DNA地址链唯一互补配对以实现在DNA信息存储介质上的自动寻址；所述DNA信息存储介质上排列有数据存储微池组成的阵列，每个数据存储微池都固定有唯一的DNA地址链且各不相同，且每一个数据存储微池都在DNA编码链库中有与之互补配对的DNA编码链组合；
3)将制备的DNA编码链混合溶液覆盖在DNA信息存储介质上，使DNA编码链在对应的数据存储微池中与互补配对的DNA地址链进行杂交反应，从而将DNA编码链杂交在数据存储微池中，使得目标信息存储在DNA信息存储介质上；
4)对数据存储微池进行封闭和洗涤，完成目标信息的写入。
2.根据权利要求1所述的DNA信息存储并行寻址写入方法，其特征在于，步骤1)之前包括预先建立DNA编码链库并制备DNA信息存储介质的步骤。
3.根据权利要求1所述的DNA信息存储并行寻址写入方法，其特征在于，所述DNA编码链库中的所有DNA编码链均为单链。
4.根据权利要求1所述的DNA信息存储并行寻址写入方法，其特征在于，所述DNA编码链的地址适配器为与某个数据存储微池中的DNA地址链唯一互补配对的寡核苷酸短链，所述DNA地址链为寡核苷酸单链。
5.根据权利要求1所述的DNA信息存储并行寻址写入方法，其特征在于，步骤3)中进行杂交反应时的环境温度为80摄氏度，杂交反应后自然降温至25摄氏度。
6.根据权利要求5所述的DNA信息存储并行寻址写入方法，其特征在于，步骤3)中进行杂交反应时的杂交反应的时间为30分钟。
7.根据权利要求6所述的DNA信息存储并行寻址写入方法，其特征在于，步骤3)中进行杂交反应时采用的缓冲液和洗涤液为5xSSC。
8.一种用于应用权利要求1～7中任意一项所述DNA信息存储并行寻址写入方法的DNA信息存储介质，其特征在于，包括存储基材，所述存储基材的表面上排列有数据存储微池组成的阵列，每个数据存储微池都固定有唯一的DNA地址链且各不相同，且每一个数据存储微池都在DNA编码链库中有与之互补配对的DNA编码链组合。
9.一种DNA信息存储并行寻址写入系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，该微处理器被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述DNA信息存储并行寻址写入方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述DNA信息存储并行寻址写入方法的计算机程序。
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