本发明涉及dna数据存储，尤其是涉及一种基于电化学标志物的dna数据存储、改写和读取方法与应用。
背景技术：
1、随着大数据时代的到来，数据存储需求急剧增加，dna作为生物体内遗传信息的载体，其存储密度极高(每克dna可存储约215pb的数据)，且在适当条件下能保存数万年之久，成为了研究人员探索的新型数据存储介质。同时，dna也在电化学检测领域有着较广的应用。目前已有成熟的技术合成在碱基上共价结合电化学标志物的核苷酸，利用这些非天然碱基，研究者可以方便地将电化学方法引入dna相关研究，通过电流、电压、电阻等信号的变化来进行定量分析，为dna电化学信息读取方法奠定了基础。
2、相关技术中，dna存储技术的实现主要包括以下四个步骤：(1)数据编码：将二进制数据转换为dna碱基序列，其通常通过特定的编码方案来实现，确保dna序列具有适合合成和读取的特性。(2)dna合成：根据编码后的序列，合成对应的dna分子，其通常是通过化学合成方法完成。(3)数据存储：将合成的dna存储在合适的介质中，如冷冻保存液或干燥状态。(4)数据读取：通过dna测序技术读取dna序列，并将其解码回二进制数据。通过上述步骤可以将海量的数据以dna的形式进行储存，如相关研究报道了一种基于电化学的合成-测序集成装置，该装置主要是通过电极来改变、检测环境ph值和电荷分布等，将单个核苷酸以核酸序列的形式固定在经金纳米颗粒修饰的电极上，从而实现数据的写入与读取。然而由于该过程主要依赖于dna合成和测序等一系列化学反应来实现，步骤较为繁琐，且需要额外的错误矫正步骤用以修正反应过程中产生的错误，极大地增加了数据储存和读取成本。
3、基于此，亟需寻求一种简单且高效的dna数据存储、改写和读取方法，以帮助相关研究人员轻松地上手信息读取工作，拓宽dna存储的应用场景。
技术实现思路
1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于电化学标志物的dna数据存储、改写和读取方法与应用，本发明通过共价结合电化学标志物的人工合成核苷酸实现了dna信息储存和读取，与传统的将信息存储在dna碱基序列中相比，采用本发明的存储方法不仅有助于提高信息存储密度，而且后续的dna文件读取过程中不需要使用dna聚合酶等多种试剂，也不涉及复杂的化学反应，极大地提高了dna读取速度。
2、本发明的第一方面，提供了dna数据存储方法，包括以下步骤：
3、s1、将待存储的信息对应转换为修饰于寡核苷酸上的电化学标志物，以得到的修饰后的寡核苷酸作为信息存储单元；
4、s2、将所述信息存储单元与连接于存储基板上的单链核苷酸接触，使所述信息存储单元中的寡核苷酸与所述存储基板上对应的单链核苷酸特异性结合，即可实现dna数据存储；
5、其中，所述单链核苷酸能特异性结合至少1个所述信息存储单元。
6、根据本发明实施例的dna数据存储方法，至少具有如下有益效果：
7、(1)有助于拓展dna存储的应用范围，使信息写入读取更加便捷高效。本发明利用共价结合电化学标志物的寡核苷酸作为信息存储单元，实现了dna信息高效简便地存储和读取，相对于传统的将信息存储在dna碱基序列中，本发明修饰电化学标志物的非天然碱基的引入为数据存储拓展了新的维度，提供了更广泛的数据存储空间。
8、(2)有利于提高信息存储密度。采用本发明的dna数据信息的存储方法能够有效提高信息存储密度，相对于其他同样使用寡核苷酸作为信息存储单元的研究，本发明的电化学标志物可选择性更高，存储的内容也更加丰富。此外，采用本发明存储方法后续还可以借助电化学方法对浓度的灵敏性，进一步通过区分一段子序列中电化学标志物的浓度差异，识别出更多信息，有助于实现更高的信息密度。
9、(3)有助于提高信息存储效率，采用本发明的dna数据信息的存储方法无需临时进行dna合成，其所使用的核苷酸序列可以提前采用常规的dna合成方法合成，有助于进一步提高信息存储效率。此外，由于本发明的信息是存储在不同的电化学标志物中，可以有效避免常规存储在不同碱基中导致形成特殊结构的情况发生，极大地提高了存储效率。
10、在本发明的一些实施方式中，当所述存储基板上连接1条以上的所述单链核苷酸时，所述单链核苷酸是相同或不同的。
11、在本发明的一些实施方式中，当存在1个以上的所述信息存储单元时，所述信息存储单元中的寡核苷酸是相同或不同的。
12、在本发明的一些实施方式中，不相同的待存储的信息具有不相同的电化学标志物修饰位置和/或不相同的电化学标志物种类。
13、在本发明的一些实施方式中，所述电化学标志物包括二茂铁、亚甲基蓝、蒽醌、结晶紫、吡啶钌、六氨合钌、铁氰化钾、亚铁氰化钾中的至少一种。
14、优选地，所述电化学标志物选自二茂铁、亚甲基蓝、蒽醌、结晶紫中的任一种。
15、在本发明的一些实施方式中，所述电化学标志物修饰于所述寡核苷酸的胸腺嘧啶(t)上。
16、在本发明的一些实施方式中，所述寡核苷酸的碱基数为5～30个。
17、在本发明的一些实施方式中，所述寡核苷酸中胸腺嘧啶的个数大于等于1。优选地，所述寡核苷酸中胸腺嘧啶的个数为1～10个，更优选为1～3个。
18、在本发明的一些实施方式中，所述信息存储单元与连接于存储基板上的单链核苷酸接触还包括还原处理。
19、在本发明的一些实施方式中，所述还原处理包括还原所述寡核苷酸5’端的二硫键。
20、在本发明的一些实施方式中，所述单链核苷酸与所述存储基板连接的方式包括化学键连接。
21、优选地，所述化学键连接选自氨基与羧基成键、金属与巯基成键、氨基与醛基成键、金属与核酸形成的配位键中的至少一种。
22、在本发明的一些实施方式中，单个所述信息存储单元中，修饰于所述寡核苷酸上的电化学标志物的个数可以是单个或多个。
23、在本发明的一些实施方式中，单个所述信息存储单元中，当修饰于寡核苷酸上的电化学标志物为多个时，其对应的电化学标志物相同或不同。
24、在本发明的一些实施方式中，当所述信息存储单元的个数大于1时，单个所述信息存储单元中的寡核苷酸按照所述待存储的信息的读取顺序在所述单链核苷酸上按特定方向依次特异性结合。
25、在本发明的一些实施方式中，所述方向是从5’端至3’端或从3’端至5’端。
26、本发明的第二方面，提供了一种dna数据存储产品，采用第一方面任一项所述dna数据存储方法获得。
27、本发明的第三方面，提供了dna数据擦除方法，包括将采用第一方面任一项所述dna数据存储方法获得的dna文件与变性液接触，使所述信息存储单元中的寡核苷酸与所述单链核苷酸解链，经洗脱后即可。
28、本发明中所指代的“dna文件”为至少一个所述信息存储单元与对应的单链核苷酸特异性结合形成的双链dna。
29、根据本发明实施例的擦除方法，至少具有如下有益效果：本发明的dna数据擦除方法具有擦除效果好、操作简单等优点。
30、在本发明的一些实施方式中，所述变性液包括摩尔浓度为10～100mm的氢氧化钠溶液。
31、优选地，所述氢氧化钠溶液的摩尔浓度为40～60mm。
32、本发明的第四方面，提供了dna数据改写方法，包括将采用第一方面任一项所述dna数据存储方法获得的dna文件与变性液接触，使所述寡核苷酸与所述单链核苷酸解链，经洗脱后，回收所述单链核苷酸，再与修饰其他电化学标志物的寡核苷酸特异性结合，即可。
33、根据本发明实施例的dna数据改写方法，至少具有如下有益效果：
34、本发明的dna数据改写方法具有操作简单、效率高，且改写次数不受限制等优势。传统的dna数据改写是通过比特移位操作(bit shifting operation)来实现，其需要使用更长的dna互补链置换已写入的短dna互补链，实现写入信息的修改。该信息修改策略虽然能将已写入的信息按照用户意愿进行替换，但是由于其需要后写入的信息互补链更长，因此修改次数较为有限，且由于置换不彻底，会有残余的旧信息存在。而本发明是通过氢氧化钠解旋的方法，其能够较为彻底地去除了已写入的信息，并且对新写入的互补链长度不设限制，能够实现更加彻底、更有利于装置循环利用的信息更改策略。
35、在本发明的一些实施方式中，所述变性液包括摩尔浓度为10～100mm的氢氧化钠溶液。
36、本发明的第五方面，提供了dna数据读取方法，包括将采用第一方面任一项所述dna数据存储方法获得的dna文件固定于电极上，进行电信号检测，然后根据不同电化学标志物的电信号不同进行区分、解码。
37、根据本发明实施例的读取方法，至少具有如下有益效果：
38、(1)本发明的读取方法简便、高效。基于本发明的信息主要存储于不同的电化学标志物中，在读取时仅需要对相应的电化学标志物进行检测，相对于传统的通过测序进行区分、解码，本发明的读取方法更加简便，既不需要使用dna聚合酶等多种试剂，也不涉及复杂的化学反应。
39、(2)读取的灵敏性和准确性高，由于本发明是基于电化学信号进行读取，其灵敏性相对于传统的读取方法更高，有助于提高读取的准确性。
40、(3)成本低，无需高昂贵的测序设备。采用本发明的dna数据读取方法仅需要借助现有的小型化便携电化学工作站，就能够轻松地上手信息读取工作，有助于拓宽dna存储的应用场景。
41、在本发明的一些实施方式中，所述电极选自金盘电极、ito玻璃电极、不锈钢镀金电极中的任一种。
42、优选地，所述电极为金盘电极。
43、金盘电极是在高纯度铜(铜含量超过99.99％)的基础上采用挂镀工艺将电极片挂在渡电镀槽里镀镍再镀金后制备得到，其导电性能好、噪声小、极化电位稳定，且能够精准控制温度，通过调节加热速率，可实现程序升温并控制加热保持时间，完成加热程序后自动停止加热。
44、在本发明的一些实施方式中，所述电信号检测的方法选自交流伏安法、循环伏安法、方波伏安法、差分脉冲伏安法中的任一种。
45、优选地，所述电信号检测的方法为交流伏安法。
46、本发明的第六方面，提供了dna数据存储条带，包含条带基底和采用第一方面任一项所述dna数据存储方法获得的dna文件。
47、本发明的第七方面，提供了dna数据存储装置，运行第一方面任一项所述dna数据存储方法和/或第五方面所述的dna数据读取方法。
48、在本发明的一些实施方式中，dna数据存储装置还运行第三方面所述的dna数据擦除方法和/或第四方面所述的dna数据改写方法。
49、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述。
1.dna数据存储方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的存储方法，其特征在于，当所述存储基板上连接1条以上的单链核苷酸时，所述单链核苷酸相同或不同；
3.根据权利要求1所述的存储方法，其特征在于，所述电化学标志物包括二茂铁、亚甲基蓝、蒽醌、结晶紫、吡啶钌、六氨合钌、铁氰化钾、亚铁氰化钾中的至少一种；
4.根据权利要求1～3任一项所述的存储方法，其特征在于，当所述信息存储单元的个数大于1时，单个所述信息存储单元中的寡核苷酸按照所述待存储的信息的读取顺序在所述单链核苷酸上按特定方向依次特异性结合；
5.一种dna数据存储产品，其特征在于，采用权利要求1～4任一项所述dna数据存储方法获得。
6.dna数据擦除方法，其特征在于，包括将采用权利要求1～4任一项所述dna数据存储方法获得的dna文件与变性液接触，使所述信息存储单元中的寡核苷酸与所述单链核苷酸解链，经洗脱后即可；
7.dna数据改写方法，其特征在于，包括将采用权利要求1～4任一项所述dna数据存储方法获得的dna文件与变性液接触，使所述寡核苷酸与所述单链核苷酸解链，经洗脱后，回收所述单链核苷酸，再与修饰其他电化学标志物的寡核苷酸特异性结合，即可。
8.dna数据读取方法，其特征在于，包括将采用权利要求1～4任一项所述dna数据存储方法获得的dna文件固定于电极上，进行电信号检测，然后根据不同电化学标志物的电信号不同进行区分、解码。
9.dna数据存储条带，其特征在于，包含条带基底和采用权利要求1～4任一项所述dna数据存储方法获得的dna文件。
10.dna数据存储装置，其特征在于，运行权利要求1～4任一项所述dna数据存储方法和/或权利要求8所述的dna数据读取方法。
