一种可实现数据随机无损读取的DNA存储方法以及数据信息存储实体与流程

本发明涉及dna存储领域，更具体地涉及一种可实现数据随机无损读取的dna存储方法以及数据信息存储实体。

背景技术：

1、dna因为其超高存储密度与超长保存时间，被认为是极具潜力的未来存储介质，能够缓解现代数据量指数爆炸式增长带来的存储压力。作为数据存储器件，其必须有能力完成信息的读写与保存功能，所以dna数据存储的流程为编码与合成完成数据信息写入dna中，中间各类方式保存与提取，以及最后将提取的dna进行测序并解码读出数据信息。

2、目前保存的方法有做成冻干粉，连接到质粒并包裹保护物质，连接到微球并包裹保护物质等。将dna做成冻干粉可以保存很久，比如化石中的dna就是类似状态，缺点是读取信息的操作复杂并且不利于集成化小型化；相比于连接到质粒后封装到二氧化硅微球并包裹，直接将dna数据信息链连接到二氧化硅微球有更高的信息利用率，而且扩增与恢复更加简单。

3、目前实现随机访问的方式有普通引物索引pcr，带荧光引物索引液滴pcr分选，介质固定dna链后pcr等。实现随机访问需要索引进行数据的特异性访问，所以最初的实现方式利用引物当做索引，需要读取某个文件时，利用此文件的特异性引物对文件进行扩增，然后进行测序便得到需要读取的文件数据了，但此方法存在的问题是，它的整个文件系统都在一起，所以扩增带来的影响是增加了所读取文件的比例，甚至会使其他文件丢失所存储的信息。所以进一步提出了液滴pcr实现接近无损读取与恢复，方法如下，使用带荧光探针结合所要读取的文件，然后使用荧光分选液滴，最后扩增所选文件，这样便能不影响其他文件，但是此方法降低了信息利用率并且最终还会导致寡核苷酸数据信息的丢失，原因是非配对的单链的dna需仔细设计以防止其他探针的特异性结合，此举大大降低了信息利用率，本末倒置的行为，而且无法完全阻止某些探针与其结合，导致损失。所以再进一步提出了双链dna保存，其中单链一短一长，短链与长链保存的数据信息配对从而起保护作用阻止其他探针与数据信息特异性结合，长链剩余部分作为索引，通过荧光探针特异性结合完成随机访问，此为访问时的保护方式，但其长久保存的方式目前并未深入。还有一些利用荧光波段组合的种类或二维码作为索引，放弃了引物作为索引的优势，减少了所能索引的文件数。

4、因此目前存储流程中保存与随机访问的全功能并没有有效完成。相对来说，有优势的保存方式没有充分发挥可用的信息利用率，有优势的索引随机访问方式没有深入结合到相辅相成的保存方式，截止到目前的现有技术都不利于整个存储流程的有效实时性与集成化。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种可实现数据随机无损读取的dna存储方法以及数据信息存储实体，从而解决现有技术中dna存储方法无法在超高文件数量系统中同时做到长久保存以及随机无损读取的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、根据本发明的第一方面，提供一种可实现数据随机无损读取的dna存储方法，包括以下步骤：s1，dna双链结构的制备：通过喷泉码编码二进制文件为dna碱基序列，确定引物与探针的碱基序列，制备出dna碱基序列、引物、探针，利用引物对dna碱基序列进行扩增，获得5’端修饰有nh2的dna双链结构；s2，数据信息存储实体的制备：将步骤s1制备得到的dna双链结构与二氧化硅微球或磁珠反应，再通过水凝胶材料封装，制备得到一种数据信息存储实体；s3，dna数据随机无损读取：去除所述数据信息存储实体的水凝胶材料，利用带荧光的探针与长链头部特异性结合，进行荧光筛选，即可分离出所需读取文件，再利用引物进行pcr获得所读取文件的碱基序列，测序获得所需读取的dna碱基序列；s4，数据信息存储实体的回收：由于原dna碱基序列依旧保存在二氧化硅微球或磁珠上，再次通过水凝胶材料封装并回收到文件系统，保证数据信息固定在原位不丢失。

4、步骤s1中，制备得到的所述dna双链结构由一条短链与一条长链配对组成，分为荧光探针单链段、引物索引双链段、数据载体双链段，所述荧光探针单链段位于长链的3’端，用来荧光分选实现搜索，所述引物索引双链段用于实现引物索引，所述数据载体双链段用于完成随机访问，长链5’端修饰的nh2用于将该dna双链结构固定到所述二氧化硅微球或磁珠上。

5、步骤s2中，所述二氧化硅微球或磁珠上预先生长有可与氨基发生反应生成化学键的官能团。

6、优选地，步骤s2和步骤s4中，所述水凝胶材料可选自：琼脂糖、聚丙烯酰胺、聚乙二醇。

7、优选地，步骤s2和步骤s4中，所述水凝胶材料封装可通过喷射微流体法或涡旋离心纯化法实现。

8、优选地，步骤s3中，所述数据信息存储实体外层的水凝胶材料可通过加热溶解、化学溶解或光响应性溶解去除。

9、优选地，步骤s3中，荧光筛选、分离出所需读取文件、进一步pcr、以及数据信息存储实体的回收均可通过微流控装置实现。

10、根据本发明的第二方面，提供一种数据信息存储实体，由以下三部分组成：位于中心的二氧化硅微球或磁珠；固定于所述二氧化硅微球或磁珠表面的若干dna双链结构；将所述二氧化硅微球或磁珠、dna双链结构封装在内的水凝胶材料；其中，所述dna双链结构由一条短链与一条长链配对组成，分为荧光探针单链段、引物索引双链段、数据载体双链段，所述荧光探针单链段位于长链的3’端，用来荧光分选实现搜索，所述引物索引双链段用于实现引物索引，所述数据载体双链段用于完成随机访问，长链5’端修饰有nh2，用于将该dna双链结构固定到所述二氧化硅微球或磁珠上。

11、所述二氧化硅微球或磁珠上预先生长有可与氨基发生反应生成化学键的官能团，所述水凝胶材料可选自：琼脂糖、聚丙烯酰胺、聚乙二醇。

12、所述水凝胶材料的封装可通过喷射微流体法或涡旋离心纯化法实现。

13、本发明的创造性主要在于，通过将dna双链结构固定到二氧化硅微球或磁珠上、使用水凝胶材料封装保护、以及使用pcr进行随机访问，首次提出了一种基于引物索引超高文件数的随机读取和dna长久保存方法。该方法首先利用化学方法将dna双链结构结合到二氧化硅微球或磁珠上，然后利用水凝胶材料对数据信息存储实体进行封装，与精心设计的dna双链共同完成了保存与随机访问的功能。随机访问时，首先去除水凝胶材料的保护，然后用特异性引物直接进行pcr扩增，将扩增的dna冲洗收集，然后去测序即可完成随机访问。由于被固定的有效数据链都保存在原位，因此拥有全部信息的长链不会产生任何损失，因此本发明成功实现了无损读取。

14、其次，本发明的创造性还在于，首次制备出了一种数据信息存储实体，其由二氧化硅微球或磁珠、dna双链结构、水凝胶材料三部分组成；其中，二氧化硅微球或磁珠在中心位置用于固定dna双链结构，dna双链结构用于存储数据信息以及索引，水凝胶材料在外层提供保护作用。根据本发明提供的这样一种数据信息存储实体，直接将dna数据信息链连接到二氧化硅微球有更高的信息利用率，而且扩增与恢复更加简单，利用dna双链结构完成随机访问功能，外层包裹水凝胶材料完成长久保存功能，实现了在超高文件数量的文件系统中的随机读取，同时在完成数据信息读取后原数据链保存在原位，保证了原始数据不丢失。

15、综上所述，根据本发明提供的一种可实现数据随机无损读取的dna存储方法以及一种数据信息存储实体，不仅利用dna双链结构完成随机访问功能，同时利用外层包裹水凝胶材料使其具有长久保存功能，实现了在超高文件数量的文件系统中的随机读取，并且保证原始数据不丢失，因此本发明在dna存储领域具有广阔的应用前景。