一种基于探针封闭与解封的DNA杂交信息存储加密方法技术

本发明专利技术公开了一种基于探针封闭与解封的DNA杂交信息存储加密方法，属于DNA存储技术领域。所述的基于探针封闭与解封的DNA杂交信息存储加密方法，包括一套带荧光基团、淬灭基团与限制性内切酶识别位点的DNA寡核苷酸探针组合和一套限制性内切酶组合；其中，特定的限制性内切酶可将特定探针的淬灭基团切除，从而将该探针激活；在DNA杂交存储信息读取的DNA杂交过程中，如果直接使用未经正确激活的探针，则由于淬灭基团的存在，使得杂交后无法得到有效的荧光检测信号，亦无法读取存储信息。本发明专利技术实现了DNA杂交信息存储技术的硬加密，能有效提高DNA杂交存储技术的安全性，促进该技术在军事、政务和商业加密存储领域中的应用。政务和商业加密存储领域中的应用。政务和商业加密存储领域中的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于探针封闭与解封的DNA杂交信息存储加密方法


[0001]本专利技术属于DNA存储
，特别涉及一种基于探针封闭与解封的DNA杂交信息存储加密方法。

技术介绍

[0002]DNA存储技术是生命科学与信息科学交叉融合的结晶。DNA是漫长生物进化过程中选择的遗传物质，作为信息存储物质而言，DNA具有保存时间极长、存储信息容量极大，环境适应能力极强等特点，极具发展潜力。目前DNA存储领域的主流技术基于DNA合成与测序，该技术虽然信息密度高，但存在并行性差、读写时间长、加密性能低等弱点，限制了DNA存储技术的实际应用。为此，申请人团队在前期工作中开发了DNA杂交存储技术。该技术通过构建DNA寡核苷酸链组合，建立DNA编码链、解码链(荧光探针)组合与二进制信息的映射关系。在信息写入时，将DNA编码链组合固定在存储基片的数据单元阵列上，以数据单元中编码链的组合状态代表该数据单元存储的信息内容。在信息读取时，将存储盘上的DNA编码链与互补荧光标记探针杂交，再通过检测各数据单元杂交信号的状态，得到所有数据单元编码链的组合状态，并还原出存储信息。但是，现有的DNA杂交存储技术尚未实现加密功能，因此，如何有效阻止信息的自由扩散、提高信息安全，如何促进DNA存储技术的实际应用，仍然是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0003]为解决目前技术存在的缺陷和不足，本专利技术的目的在于提供一种基于探针封闭与解封的DNA杂交信息存储加密方法，以解决现有DNA杂交存储技术尚未实现加密功能、信息安全性低的技术问题。本专利技术通过给荧光探针添加/去除淬灭基团的方式分别对探针进行封闭/解封，从而实现DNA杂交存储技术的硬加密。本专利技术能够有效阻止信息的自由扩散，提高信息安全，促进DNA存储技术的实际应用。
[0004]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种基于探针封闭与解封的DNA杂交信息存储加密方法，包括如下步骤：
[0005](1)将目标信息转换为二进制代码，并分割为若干等长的字段，每个所述字段对应一个数据单元，所述数据单元包含M个二进制数位；
[0006](2)将每个所述字段的M个二进制数位上的1/0值映射为M条DNA编码链的有/无组合，得到DNA存储盘上所有所述数据单元需要添加的DNA编码链列表；
[0007](3)根据所述DNA编码链列表将各所述DNA编码链以点样、喷墨或原位合成的方式固定在所述DNA存储盘表面的所述数据单元中，完成所述目标信息在所述DNA存储盘上的写入；
[0008](4)DNA存储盘信息的读取，将所述DNA编码链与互补荧光探针进行杂交加密后，再进行荧光检测，以所述数据单元中各色荧光的有无来判断对应的所述DNA编码链的有无进行读取，由此得到所述DNA存储盘上所有所述数据单元中的DNA编码链组合列表，然后把所
述DNA编码链组合列表还原为二进制代码，最后通过所述二进制代码还原得到所述目标信息。
[0009]步骤(4)中所述的DNA编码链与互补荧光探针进行杂交加密的方法，具体步骤如下：
[0010]a.每条DNA寡核苷酸加密探针正链均包含一个基本序列，所述基本序列与探针对应的DNA寡核苷酸编码链互补，所述基本序列的总数与所述DNA寡核苷酸编码链的总数一致，均为N；
[0011]b.在探针的基本序列5
’
末端连接一个荧光基团，且每个所述基本序列连接的荧光基团不同，所述荧光基团的总数与所述基本序列的总数一致，均为N；
[0012]c.在连接有荧光基团的基本序列的3
’
端连接一个限制性内切酶识别序列，然后在所述基本序列3
’
的末端连接一个荧光淬灭基团，得到加密荧光探针正链；
[0013]d.将所述加密荧光探针正链与互补的DNA负链等比例混合进行变性，并在变性后退火，得到双链加密荧光探针；
[0014]e.针对N种基本序列中的每一种，均制备H条加密荧光探针，所述H条加密荧光探针末端所带荧光基团相同，但每条探针的限制性内切酶识别序列各不相同(记为R1、R2、
……
、R
H
)，所有N
×
H条加密荧光探针共同构成探针库，由信息发送者保藏；
[0015]f.与加密荧光探针正链3
’
端限制性内切酶识别序列R1‑
R
H
对应的所有H种限制性内切酶(记为E1、E2、
……
、E
H
)构成内切酶库，由信息接收者保藏；
[0016]g.信息发送前，发送者从探针库中随机选取一组覆盖所有DNA编码链互补序列的N条探针，组内探针的基本序列各不相同，但包含的内切酶识别序列相同(记为R
i
，其中i为1～H的任意整数)；
[0017]h.信息发送时，发送者将步骤g中选取的该组探针与写有信息的DNA存储盘实物递送至接收者，同时将密钥信息(即正确的R
i
信息)通过另一安全途径(如保密电话、密电码等)告知接收者；
[0018]i.接收者在进行DNA存储信息杂交读取之前，需先通过密钥信息(即正确的Ri信息)从内切酶库中选取正确的限制性内切酶E
i
对加密探针进行酶切，去除荧光淬灭基团，从而激活荧光探针；用于后续读取存储信息所进行荧光检测。
[0019]步骤(4)中所述的读取，具体为：接收者进行DNA存储信息杂交读取时，必须先将加密荧光探针激活，再与DNA存储盘上的编码链进行杂交，若使用未被激活的探针，则会因荧光淬灭基团的存在而得不到有效的荧光检测信号。
[0020]为进一步提高加密探针的安全性，步骤b中，可在探针的荧光基团与基本序列之间再添加一段限制性内切酶识别序列组合，所述限制性内切酶识别序列组合中的识别序列均与探针正链3
’
端的内切酶识别序列不同；这样，当使用与组合中任一识别序列对应的内切酶(错误密钥)对加密探针进行处理时，将切除探针的荧光基团而导致探针自毁；增加加密的安全性。
[0021]可选地，步骤(1)中，
[0022]所述M的取值范围为1
‑
8之间的整数。
[0023]可选地，步骤(2)和步骤(3)中，
[0024]所述DNA存储盘为一块表面固定有特定化学基团的硬质材料；所述硬质材料包括
但不限于玻璃、硅片、塑料或者磁珠等；所述特定化学基团包括但不限于氨基、醛基或者巯基等。
[0025]可选地，步骤a中所述基本序列的长度为8～30个核苷酸；
[0026]步骤b中所述限制性内切酶识别序列或所述限制性内切酶识别序列组合的长度为4～60个核苷酸。
[0027]可选地，步骤b中所述荧光基团优选为Alexa488、Cy3、Cy5、Cy7等荧光基团，上述荧光基团相互间的发射波长差异较大，且能够在荧光检测仪器中被有效区分。
[0028]可选地，步骤c中所述荧光淬灭基团优选为BHQ1、BHQ2或MGB荧光淬灭基团；所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于探针封闭与解封的DNA杂交信息存储加密方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)将目标信息转换为二进制代码，并分割为若干等长的字段，每个所述字段对应一个数据单元，所述数据单元包含M个二进制数位；(2)将每个所述字段的M个二进制数位上的1/0值映射为M条DNA编码链的有/无组合，得到DNA存储盘上所有所述数据单元需要添加的DNA编码链列表；(3)根据所述DNA编码链列表将各所述DNA编码链以点样、喷墨或原位合成的方式固定在所述DNA存储盘表面的所述数据单元中，完成所述目标信息在所述DNA存储盘上的写入；(4)DNA存储盘信息的读取，将所述DNA编码链与互补荧光探针进行杂交加密后，再进行荧光检测，以所述数据单元中各色荧光的有无来判断对应的所述DNA编码链的有无进行读取，由此得到所述DNA存储盘上所有所述数据单元中的DNA编码链组合列表，然后把所述DNA编码链组合列表还原为二进制代码，最后通过所述二进制代码还原得到所述目标信息。2.根据权利要求1所述的基于探针封闭与解封的DNA杂交信息存储加密方法，其特征在于：步骤(4)中所述的DNA编码链与互补荧光探针进行杂交加密的方法，具体步骤如下：a.每条DNA寡核苷酸加密探针正链均包含一个基本序列，所述基本序列与探针对应的DNA寡核苷酸编码链互补，所述基本序列的总数与所述DNA寡核苷酸编码链的总数一致，均为N；b.在探针的基本序列5
’
末端连接一个荧光基团，且每个所述基本序列连接的荧光基团不同，所述荧光基团的总数与所述基本序列的总数一致，均为N；c.在连接有荧光基团的基本序列的3
’
端连接一个限制性内切酶识别序列，然后在所述基本序列3
’
的末端连接一个荧光淬灭基团，得到加密荧光探针正链；d.将所述加密荧光探针正链与互补的DNA负链等比例混合进行变性，并在变性后退火，得到双链加密荧光探针；e.针对N种基本序列中的每一种，均制备H条加密荧光探针，所述H条加密荧光探针末端所带荧光基团相同，但每条探针的限制性内切酶识别序列各不相同，所有N
×
H条加密荧光探针共同构成探针库，由信息发送者保藏；f.与加密荧光探针正链3
’
端限制性内切酶识别序列R1‑
R
H
对应的所有H种限制性内切酶构成内切酶库，由信息接收者保藏；g.信息发送前，发送者从探针库中随机选取一组覆盖所有DNA编码链互补序列的N条探针，组内探针的基本序列各不相同，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翼飞，王海华，赵椰，肖祖颖，张东裔，刘翟，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：