[发明专利]阵列式核酸信息存储方法及装置

说明书

本发明公开了一种阵列式核酸信息存储方法及装置，其中，该方法包括：对待存储信息进行格式转换；利用碱基构建不同种类的核酸阵列存储基本单元；根据核酸阵列存储基本单元的种类对格式转换后的待存储信息进行编码，将待存储信息编码为相应的序列码；利用微纳材料递送手段，按照待存储信息的序列码顺序将核酸阵列存储基本单元递送至基底表面的特定位置，并进行固定，形成特定的信息阵列，通过特定的信息阵列对待存储信息进行存储；通过特定检测方式对存储的特定的信息阵列进行读取得到核酸阵列信息；根据编码算法与解码算法对核酸阵列信息进行解码，还原待存储信息。该方法读写速度快，存储成本低。

技术领域

本发明涉及数字信息存储技术领域，特别涉及一种阵列式核酸信息存储方法及装置。

背景技术

如今，人类生活在信息爆炸的时代，每天都有海量的数据产生，也有海量的数据被存储下来，已经离不开各式各样的信息存储介质。随着时代的进步，越来越多的数据将被产生。物联网技术要实现物与物、物与人的广泛连接，则需要通过各种信息传感器实时采集物联网中每个物体的声、光、力、电等信息，因而产生巨量的信息存储需求。随着物联网技术的进一步发展以及其与云计算等技术的融合，其在2020年将把300亿个单位纳入其中，并由此产生海量的信息。2018年，人类共计产生了约33ZB(1ZB＝10¹²GB)的数字信息，并且这一数字仍在以指数形式上升。国际数据中心预计到2025年，全球数据产生量将到达175ZB。然而，传统信息存储技术的容量增长速度有限，并且即将到达其物理极限，在未来的数十年间，传统存储器件可能无法满足存储的需求。为了解决这一问题，DNA作为一种天然的信息存储介质进入了研究人员的视线。

DNA信息存储的概念早在20世纪60年代就出现了，研究人员希望利用DNA的特定序列来存储信息。DNA信息存储技术的工作过程为编码、写入、存储、读取和解码五步。现有DNA信息存储技术的基本载体是DNA链序列，其依托的关键技术为DNA合成与测序。如图1所示，其工作方式如下：对于任意一段需要进行DNA存储的数字信息，首先对其编码，将信息转化为一串DNA序列。之后进行信息的写入，即通过DNA无模板合成技术，得到编码了信息的特定DNA链。将这些DNA链以溶液、干粉或微球等形式保存起来，实现信息的长时间存储。当需要再次获取这些存储的信息时，通过DNA测序技术得到DNA链的序列信息，即实现信息的读取。最终通过DNA序列的解码，便可以复原出一开始存储在DNA中的数字信息。

以选择的特定数字信息为信息存储工作过程的开始，并以这一信息再次被解读出来为过程的结束。首先将数字信息进行编码，得到特定的DNA序列。再将这一序列通过化学方法合成为DNA链，完成信息的写入。这些DNA链被存储在溶液、干粉或微球中，留待读取。读取工作通过DNA测序实现，得到特定DNA序列。最终将序列解码，得到数字信息。

现有的DNA信息存储技术的实现依赖与DNA链的合成与测序，其写入过程主要是DNA合成的过程，读取过程主要是DNA测序的过程。因此受制于DNA合成与测序技术，成本高、读写速度慢。DNA合成技术经过多年的发展，如今已经成为了一种十分成熟的技术，并形成了成熟的商业应用。但是，DNA合成技术目前仍是DNA信息存储技术发展的最大掣肘。作为信息存储中最关键的写入环节，DNA合成技术高昂的成本，缓慢的合成速度以及高出错率导致DNA信息的写入困难重重。由于每合成一个核苷酸便需要四步化学反应，每步反应需要一定的时间，反应后还需要进行清洗，以避免残留的试剂影响进一步的反应。因此合成过程往往耗时长，且消耗的不少试剂更是增大了合成的成本。固相合成法合成每个核苷酸需要花费2min以及0.05美元，这意味着仅写入1MB的信息便需要133333h，并花费200000美元。即便阵列化的合成方法可以实现多达20000个DNA链的并行合成并大幅降低了合成的费用，写入1MB信息仍需约6.6h，花费40美元。这一写入速度和成本对于日常信息存储是完全无法接受的。此外，基于阵列的寡核苷酸合成法仍没有解决DNA合成中出错的问题，并且由于高并行的反应以及选择性合成的操作导致合成的错误率进一步上升。这些错误会导致所存储的信息出现偏差，更加限制了DNA信息存储技术的应用。

发明内容