一种DNA信息存储方法及系统

一种dna信息存储方法及系统
技术领域
1.本发明涉及信息储存技术领域，尤其涉及一种dna信息存储方法及系统。


背景技术：

2.如今对信息储存的方式包括如下步骤：生产单晶硅；制造光学或半导体存储介质(如磁带、软盘、cd、磁盘、闪存)；将编码后的数据信息存储到介质中；在介质中读取已有信息。
3.传统存储方式如优盘、硬盘等不能满足存储要求。目前随着人类获取知识与产生数据的能力不断提升，社交网络与云计算技术的进步推动了全球范围内的数据爆炸，人类一切社会活动产生的海量数据给数据存储带来了极大的挑战。目前全球的数字信息总量达4.4zb(3.52
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bits)，并且仍在飞速增长。按照当下增长势头，全球的存储需求将在2040年达到惊人的3
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比特。现代数据存储系统主要依靠光学和半导体介质实现大量数据的存储、检索、访问和复制。如果以目前的存储手段对该数据量进行存储，制造商需要大约109千克硅片，然而根据预估届时全球硅片供应量预计仅有10
7-108千克，远无法满足存储需求。
4.此外，基于半导体与电磁的存储技术有着诸多难以应对这一趋势的缺陷—储密度有限，寿命短暂且大规模长期维护费用高昂。而单晶硅的生产过程带来的环境污染与能源消耗也是不可忽视的。硅片的制备工业流程中应用了大量有害的化学物品，包括四氯化硅、氰化物、二氯乙烷、三氯乙烷等。更重要的是，硅和其他生产原料的储量均不是无限的。因此，我们迫切需要寻找一种可以高密度、低功耗、长期稳定地存储数字信息的解决方案。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种dna信息存储方法及系统，信息存储密度高，信息存储寿命长。
6.本发明是通过以下技术方案予以实现：
7.一种dna信息存储方法，其特征在于，包括如下步骤：a.将存储的目标文件经过转换成为dna碱基序列；b.将所述dna碱基序列合成为携带信息的dna分子；c.对所述携带信息的dna分子进行保存。
8.根据上述技术方案，优选地，步骤a使用编码方式完成。
9.根据上述技术方案，优选地，所述编码方式包括huffman编码或raptor码编码。
10.根据上述技术方案，优选地，步骤b使用人工合成完成。
11.根据上述技术方案，优选地，所述人工合成包括如下步骤：合成目的基因；构建基因表达载体；pcr扩增；通过酶切法对目的基因进行鉴定。
12.根据上述技术方案，优选地，步骤c在无机环境下进行体外保存，或借助生物手段将其引入活体细胞内进行保存。
13.根据上述技术方案，优选地，还包括对所述携带信息的dna分子进行复制扩增备份。
14.本专利还公开了一种dna信息存储系统，使用上述一种dna信息存储方法，其特征在于，包括：dna编码模块，用于将存储的目标文件经过转换成为dna碱基序列；dna合成模块，用于将所述dna碱基序列合成为携带信息的dna分子；储存模块，用于对所述携带信息的dna分子进行保存；备份模块，用于对所述携带信息的dna分子进行复制扩增备份。
15.本发明的有益效果是：
16.本发明以dna作为信息存储介质，对图片、文本、音频、视频等形式的数据信息进行保存、复制和读取。就单位质量下的存储潜力而言，一克dna大约含2.1
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个dna碱基，因此每一克dna的二进制存储潜力约为4.2
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比特，传统的基于半导体与电磁的存储手段存储潜力为每克109比特，dna分子单位质量的数字信息储存潜力是其4200亿倍，在单位体积的存储潜力方面，dna分子形态并没有限制在一个平面，因此其在单位体积内的二进制信息存储潜力是硬盘的100万倍，是闪存的1000倍。除此之外，dna作为自然界中最稳定的生物分子之一，对高温或低温环境、尘土、震荡等情况的抗性要优于硬盘，在保证数据质量的前提下，dna分子的数据存储寿命为数百年。综上所述，由于dna其具备作为信息存储介质的众多优异特性，存在取代当前存储介质成为新型存储介质的巨大潜力。
附图说明
17.图1是本发明的系统流程示意图。
具体实施方式
18.为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
19.如图所示，本发明包括如下步骤：a.将存储的目标文件经过转换成为dna碱基序列；b.将所述dna碱基序列合成为携带信息的dna分子；c.对所述携带信息的dna分子进行保存。dna即脱氧核糖核酸，又被称为去氧核糖核酸，是存在于生物细胞中的生物大分子，它是染色体的主要组成部分，也是几乎所有的地球生物的主要遗传物质，是存储生物遗传信息的“硬盘”。dna分子的构成单位是脱氧核苷酸，脱氧核苷酸根据其含氮碱基的不同，可以分为腺嘌呤脱氧核苷酸(腺苷酸，amp)、鸟嘌呤脱氧核苷酸(鸟苷酸，gmp)、胞嘧啶脱氧核苷酸(胞苷酸，cmp)、胸腺嘧啶脱氧核苷酸(胸苷酸，tmp)，这四种含氮碱基我们简称为a、g、c、t四种碱基。在dna双链结构中，该四种碱基是相互互补配对的，具体互补配对关系为：a与t配对，c与g配对。含有不同碱基的脱氧核糖核苷酸聚合成为链状螺旋的dna分子，a、t、c、g四种碱基以不同的顺序排列组合，便可以存储生物的遗传信息。因此，与通过二进制存储信息的硬盘类似，我们可以将dna看做四进制的存储模型。本发明以dna作为信息存储介质，对图片、文本、音频、视频等形式的数据信息进行保存、复制和读取。就单位质量下的存储潜力而言，一克dna大约含2.1
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个dna碱基，因此每一克dna的二进制存储潜力约为4.2
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比特，传统的基于半导体与电磁的存储手段存储潜力为每克109比特，dna分子单位质量的数字信息储存潜力是其4200亿倍，在单位体积的存储潜力方面，dna分子形态并没有限制在一个平面，因此其在单位体积内的二进制信息存储潜力是硬盘的100万倍，是闪存的1000倍。除此之外，dna作为自然界中最稳定的生物分子之一，对高温或低温环境、尘土、震荡等情况的抗性要优于硬盘，在保证数据质量的前提下，dna分子的数据存储寿命为数百年。综
上所述，由于dna其具备作为信息存储介质的众多优异特性，存在取代当前存储介质成为新型存储介质的巨大潜力。
20.根据上述实施例，优选地，dna编码指的是通过一定的对应和转换规则，将存储的目标文件转换为相应的dna碱基序列，该编码过程是dna信息存储过程的核心之一。不同的dna信息存储模型中，由文件内容到dna碱基序列的编码方式也各有异同，针对的存储文件格式也有一定差异，有的经典编码模型只适用于文本文档的存储，有的编码模型针对图片进行存储，也有的编码模型对于任何形式的文件格式均可进行存储。本例中将目标文件转换成atcg碱基序列，主要使用的是编码方法，目前可用的编码方法有很多，比方说huffman编码方法，或者raptor码编码方法。
21.根据上述实施例，优选地，存储信息的dna分子需要按照相应的碱基序列进行人工合成而非利用dna分子。因为活体dna分子的修改过程工艺复杂度高于给定序列之后进行体外合成，此外，活体细胞诸如分增殖、衰老凋亡等生命过程会对信息的存储带来影响，引入额外的数据错误并增加生物层面的操作处理难度。因此，本例中合成为dna链主要使用的是生物手段，一般使用的是pcr扩增技术。这个技术的详细过程是：合成目的基因；构建基因表达载体；pcr扩增；使用酶切法对目的基因进行鉴定。其中，由于dna序列是任意的，但长度有限，就像字节串被分成小片段，在后续过程中重新组合成原始数据，因此需要通过酶切法将dna链进行切断。目前合成的用以存储信息的dna分子一般为长度不超过1000个核苷酸的短链dna分子，因为在当下的技术水平下，指定序列的dna分子合成是有长度极限的，而且合成长链dna分子的技术难度和耗时远超合成短链dna分子，此外，合成长链dna分子过程中可能产生的错误也高于短链dna分子。
22.根据上述实施例，优选地，步骤c在无机环境下进行体外保存，或借助生物手段将其引入活体细胞内进行保存，一般而言体外保存的数据稳定性、可读性和易操作性超过细胞体内保存。
23.根据上述实施例，优选地，还包括对所述携带信息的dna分子进行复制扩增备份。本例中对合成得到的带有存储信息的dna分子进行复制扩增过程，对应我们日常数据存储过程中的复制备份，在生物层面是对已有的dna分子进行复制，该过程可以人工进行，也可借助活体细胞自然的细胞分裂完成。
24.本专利还公开了一种dna信息存储系统，使用上述一种dna信息存储方法，其特征在于，包括：dna编码模块，用于将存储的目标文件经过转换成为dna碱基序列；dna合成模块，用于将所述dna碱基序列合成为携带信息的dna分子；储存模块，用于对所述携带信息的dna分子进行保存；备份模块，用于对所述携带信息的dna分子进行复制扩增备份。
25.本发明以dna作为信息存储介质，对图片、文本、音频、视频等形式的数据信息进行保存、复制和读取。就单位质量下的存储潜力而言，一克dna大约含2.1
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个dna碱基，因此每一克dna的二进制存储潜力约为4.2
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比特，传统的基于半导体与电磁的存储手段存储潜力为每克109比特，dna分子单位质量的数字信息储存潜力是其4200亿倍，在单位体积的存储潜力方面，dna分子形态并没有限制在一个平面，因此其在单位体积内的二进制信息存储潜力是硬盘的100万倍，是闪存的1000倍。除此之外，dna作为自然界中最稳定的生物分子之一，对高温或低温环境、尘土、震荡等情况的抗性要优于硬盘，在保证数据质量的前提下，dna分子的数据存储寿命为数百年。综上所述，由于dna其具备作为信息存储介质的众
多优异特性，存在取代当前存储介质成为新型存储介质的巨大潜力。
26.以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。