本发明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。
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；
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‑RH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，但包含的内切酶识别序列相同，记为Ri；
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Ri信息通过另一安全途径告知接收者；所述的另一安全途径包括保密电话或密电码方式；
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Ri从内切酶库中选取正确的限制性内切酶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。
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。
3.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。
4.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(1)中，所述M的取值范围为1‑8之间的整数。
5.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(2)和步骤(3)中，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；所述硬质材料包括玻璃、硅片、塑料或者磁珠；所述特定化学基团包括氨基、醛基或者巯基。
6.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a中所述基本序列的长度为8～30个核苷酸；
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～
7.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b中所述荧光基团为Alexa488、Cy3、Cy5、Cy7荧光基团；
步骤c中所述荧光淬灭基团为BHQ1、BHQ2或MGB荧光淬灭基团。
8.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d中所述变性的温度为70～100℃；所述退火的温度为20～65℃；
9.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e中所述H为大于200的整数。
一种基于探针封闭与解封的DNA杂交信息存储加密方法
技术领域
[0001] 本发明属于DNA存储技术领域，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。
背景技术
[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。
发明内容
[0003] 为解决目前技术存在的缺陷和不足，本发明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。本发明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。本发明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] 本发明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、……、RH)，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‑RH对应的所有H种限制性内切酶(记为E1、E2、……、EH)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Ri，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Ri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Ei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；所述的荧光淬灭基团对同一互补荧光探针的荧光基团具有较强淬灭作用(淬灭效率>50％)。
[0029] 可选地，步骤d中所述变性的温度为70～100℃；所述退火的温度为20～65℃。变性和退火的温度均依寡核苷酸长度和碱基GC含量而调整。
[0030] 可选地，步骤e中所述H为大于200的整数。目前商业化的II型限制酶超过200种特异性，因此H的取值可以大于200。
[0031] 可选地，步骤i中所述杂交的温度为25～55摄氏度。杂交的温度可以根据寡核苷酸长度和GC含量而调整；所述荧光检测通过市售酶标仪或生物芯片扫描仪实现。
[0032] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：本发明可以从探针库中选取一组带相同酶切位点的探针发给信息接收者，并通过另一途径将该组探针对应的密钥信息(即正确的内切酶信息)发送至信息接收者。信息接收者在收到密钥信息后，才能对探针做正确的酶切处理从而将该探针激活，而错误的酶切处理将无法激活探针，甚至会导致探针自毁。信息接收者在拿到探针材料后，可通过探针本身的荧光读数判断该组探针是否已被激活过(即信息是否已被泄露)，以便信息接收者及时采取应变措施。本申请实现了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DNA杂交信息存储技术在军事、政务以及商业加密存储领域中的应用。
附图说明
[0033] 图1是本发明实施例1的双链加密荧光探针的结构示意图。
[0034] 图2是本发明实施例1的DNA杂交存储流程示意图。
具体实施方式
[0035] 下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0036] 除非另有定义，否则本文中所用的全部技术术语和科学术语均具有如本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同含义。
[0037] 如本文所用，在提到具体列举的数值中使用时，术语“约”意指该值可以从列举的值变动不多于1％。例如，如本文所用，表述“约100”包括99和101和之间的全部值(例如，99.1、99.2、99.3、99.4等)。
[0038] 如本文所用，术语“含有”或“包括(包含)”可以是开放式、半封闭式和封闭式的。换言之，所述术语也包括“基本上由…构成”、或“由…构成”。
[0039] 如本文所用，术语“室温”或“常温”是指温度为4～40℃，较佳地，25±5℃。
[0040] 下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。
[0041] 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荧光探针，则由于荧光淬灭基团的存在，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。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。
[0042] 本发明通过给荧光探针添加/去除淬灭基团的方式分别对荧光探针进行封闭/解封，实现了DNA杂交存储技术的硬加密，能够有效阻止信息的自由扩散，提高信息安全，同时也促进了DNA存储技术的实际应用。
[0043] 实施例1
[0044] 具体的，本发明实施例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，下文将以写入目标信息“加密”(两个汉字)为例，对本发明DNA信息存储加密方法进行进一步的详细说明，包括如下步骤：
[0045] 如图2所示，本实施例DNA信息存储并行寻址写入方法包括：
[0046] 1)将目标信息即“加密”两个汉字转换为二进制代码，10111100110100111100001111011100并分割为8个字段，每个字段对应一个数据单元，包含4个二进制数位；
[0047] 2)将上述每个字段的4个二进制数位上的1/0值映射为4条DNA编码链B1、B2、B3、B4的有/无组合；例如，第一个数位上(对应B1)有编码链，则该数位的值为1，反之则为0，由此得到DNA存储盘上所有数据单元需要添加的编码链列表；以上述8个数据单元为例，其对应的编码链组合如下表：
[0048]
[0049] 3)依上述列表将各DNA编码链以点样方式固定在DNA存储盘表面的8个数据单元微池中，即完成目标信息在DNA存储盘上的写入；
[0050] 4)DNA存储盘信息的读取，是通过各编码链B1‑B4与互补荧光探针R1‑R4的杂交实现加密；杂交后进行荧光检测，以各数据单元中各色荧光的有无来判断对应编码链的有无；例如，杂交后检测得到上述第一个数据单元中没有R2的荧光信号，而有R1、R3、R4的荧光信号，即判断该数据单元的编码链组合为B1 B3 B4，对应的二进制数值为1011；由此，可得到存储盘上所有数据单元中的编码链组合列表，再进一步还原为二进制代码(如下表)，[0051]
[0052] 并最终还原出目标信息(即两个汉字“加密”)。
[0053] 本发明的步骤4)所述加密的环节在于加密荧光探针的设计和运用，如图1所示，包含以下步骤：
[0054] a.设计4条DNA加密探针MR1、MR2、MR3、MR4，每条加密探针正链均包含一个基本序列，所述基本序列分别与探针对应的DNA寡核苷酸编码链B1、B2、B3、B4互补；
[0055] b.在每条加密探针正链基本序列的5’端连接一个荧光基团，且4条基本序列连接的荧光基团各不相同，例如：B1连接Alexa488，B2连接Cy3，B3连接Cy5，B4连接Cy7；所述荧光基团总数与探针基本序列总数相同，也为4个；
[0056] c.在上述连接了荧光基团的基本序列3’末端连接一个限制性内切酶识别序列(如EcoR I识别序列GAATTC)，然后在该序列的3’末端连接一个荧光淬灭基团(例如MGB)，由此得到加密荧光探针的正链；
[0057] d.将上述加密荧光探针正链分别与其互补的DNA负链等比例混合，并在85℃变性后退火，得到带双链加密荧光探针；
[0058] e.针对4种探针基本序列的每一种，均制备100条加密荧光探针，这100条加密荧光探针末端所带荧光基团相同，但每条探针所带的限制性内切酶识别序列各不相同(记为EN1、EN2、……、EN100)；所有4条基本序列对应的400条加密荧光探针共同构成探针库，由信息发送者保藏；
[0059] f.与加密探针正链3’端限制性内切酶识别序列EN1‑EN100对应的所有100种限制性内切酶(记为E1、E2、……、E100)构成内切酶库，由信息接收者保藏；
[0060] g.信息发送前，发送者从探针库中随机选取一组覆盖所有编码链互补序列的4条加密探针，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ENi，其中i为1～100的任意整数)；
[0061] 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(即正确的ENi信息)通过另一安全途径(如保密电话、密电码等)告知接收者；
[0062] 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ENi信息)从内切酶库中选取正确的酶Ei对双探针进行酶切，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。
[0063] 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。例如，本实例中第一个数据单元是B1 B3 B4编码链组合(对应2进制码1011)，由于探针中荧光淬灭基团的存在，使得该数据单元的B1B3B4编码链都读不到信号，导致该数据单元对应的2进制码被误读为0000；
[0064] 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。
[0065] 本实施例中，步骤1)中数据单元的数位取值范围为1‑8之间。
[0066] 本实施例中，步骤3)中DNA存储盘为一块表面固定有特定化学基团的硬质材料，硬质材料包括但不限于玻璃、硅片、塑料、磁珠等，其表面的固定的末端化学基团包括但不限于氨基、醛基、巯基等。
[0067] 本实施例中，步骤a中基本序列长度为8‑30个核苷酸。
[0068] 本实施例中，步骤b中不同荧光基团能在荧光检测仪器中被有效区分，可包括但不限于Alexa488、Cy3、Cy5、Cy7等相互间发射波长差异较大的荧光基团组合。
[0069] 本实施例中，步骤c中所述限制性内切酶识别序列或序列串的长度为4‑60个核苷酸；所述荧光淬灭基团优选为BHQ1、BHQ2或MGB荧光淬灭基团；所述的荧光淬灭基团对同一互补荧光探针的荧光基团具有较强淬灭作用(淬灭效率>50％)。
[0070] 本实施例中，步骤d中变性的温度为70‑100℃之间，依寡核苷酸长度和碱基GC含量而调整。
[0071] 本实施例中，步骤e中内切酶及其识别序列种类的取值可达200以上，这是因为目前商业化的II型限制酶有超过200种特异性。
[0072] 本实施例中，读取步骤i中的杂交温度为25‑55℃之间，依寡核苷酸长度和GC含量而调整，所用荧光检测设备为市售酶标仪或生物芯片扫描仪；
[0073] 本发明的基于探针封闭与解封的DNA杂交信息存储加密方法(如图1所示)，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。该方法实施时，从探针组合中选取一组带相同酶切位点的探针发给数据接收方，并通过另一途径将该组探针对应的密钥(即正确的内切酶信息)发送。数据接收方在收到密钥后，方能对探针做正确的酶切处理而将其激活，而错误的酶切处理将无法激活探针，甚至可能导致探针自毁。另一方面，数据接收方在拿到探针材料后，可通过探针本身的荧光读数判断该组探针是否已被激活过(即信息是否已被泄露)，以便及时采取应变措施。
[0074] 由此可见，本实施例实现了现有DNA杂交存储技术之前所不具备的硬加密功能；相比通过信号编解码或软件方式实现加密的技术而言，本发明的硬加密从物理层面阻止了有效检测信号的获取，使第三方无法通过算法暴力破解，安全性更高；总之，本发明实现了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。
[0075] 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。
[0076] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
