用Python将文本转换为DNA序列

今天药忘吃喽~ 2024-04-03 08:44 68阅读 0赞

用Python将文本转换为DNA序列 脱氧核糖核酸（`DNA`）是一种有前途的存储介质，能够存储和存档我们大量的数据。

当比特被转换为碱基时，数据可以在DNA中进行编码。

编码数据就是将其从一种形式转换为另一种形式。编码的图像、录音、视频和字符可以用来编译和执行程序，传输、存储和压缩/解压数据，以及转换文件。我决定将输入的文本编码为`DNA`序列，希望能将其储存起来。

以下是我是如何做到的。

关于该项目

在文本被映射到核苷酸序列之前，它必须被转换为二进制序列。在计算科学中，二进制序列用比特和字节表示对计算机的指令和数据类型。二进制数字，或比特，存储0或1，使它们成为最小的存储单位。8位组合在一起构成一个字节，如01011010和01000001。

核苷酸是一种由戊糖（5个碳原子）、一个磷酸基团和一个含氮碱基组成的化合物。在DNA中，4个含氮碱基是腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。它们的序列将为蛋白质编码并携带所有遗传信息。

核苷酸通过一个核苷酸的磷酸基和下一个核苷酸中戊糖的第3个碳原子之间的共价键连接在一起。因此，核苷酸的配对产生了糖-磷酸盐-糖-磷酸盐-等等的DNA骨架。这个序列形成一个多核苷酸链，2个盘绕的多核苷酸链产生了DNA的标志性双螺旋。

![alt][]

整个程序是基于一个简单的映射，其中2位序列被转换成核苷酸，每个核苷酸由一个字母（A、G、C或T）代表。

当DNA被测序时，有可能确定碱基的顺序，在普通的序列格式中，它们可以用一个字母表示。为了带来一个新的或修改过的序列，有可能将A、G、C或T移动一下。

关于DNA中的数字数据存储的更多信息，请阅读我以前的文章《数字数据存储的未来在于DNA》。

剖析该项目

起初，我用用户的输入设置了一个变量（original\_str）。该文本的长度和内容可以不同，这完全取决于用户。

# set variable with input text
    original_str = input("What would you like to convert? ")

然后，我使用了bytearray(source, encoding)方法，其中source是输入的文本（original\_str），编码是UTF-8（"utf-8"）。UTF-8用1、2、3或4个字节表示输入文本中的每个字符。

因此，可以使用内置的 `format(value, format_spec)` 方法将每个整数值 (x) 转换为二进制，并通过指定格式 ("08b") 保留前导零。由此产生的二进制数包括所有前导0，总共有8位。因此，该字节列表用`string.join(iterable)`方法连接，成为一个字符串（`binary_str`）。

接下来，二进制字符串变成了一个列表（`binary_list`），被分成2比特长的项目。因为2位变成了1个核苷酸，所以binary\_list中的每个项目都应该有2的长度。

# convert text to binary values
    binary_str = ''.join(format(x, '08b') for x in bytearray(original_str, 'utf-8'))
    
    binary_list = [binary_str[i: i+2] for i in range(0, len(binary_str), 2)]

然后我定义了一个字典（`DNA_encoding`），其中每个键代表二进制列表中可能的2位项目，每个值是其对应的核苷酸。

还设置了一个空列表（`DNA_list`），`DNA_encoding`中的值被附加到该列表中。一个for循环对二进制列表中的每一个2位项目进行迭代，另一个for循环对`DNA_encoding`中的每一个键进行迭代。当2位项与一个键相匹配时，该键的值被添加到DNA\_list中。

# binary values to nucleotide sequence
    # remember:
    # 00 = "A" (adenine)
    # 01 = "G" (guanine)
    # 10 = "C" (cytosine)
    # 11 = "T" (thymine)
    
    DNA_encoding = {
        
        "00": "A",
        "01": "G",
        "10": "C",
        "11": "T"
    } 
    DNA_list = []
    for num in binary_list:
        for key in list(DNA_encoding.keys()):
            if num == key:
                DNA_list.append(DNA_encoding.get(key))
    
    DNA_str = "".join(DNA_list)

当DNA\_list中的所有核苷酸被连接在一起时，就会产生一个新的字符串（`DNA_str`）。

最后，输入的文本（`original_str`）、二进制字符串（`binary_str`）和随后的核苷酸序列（`DNA_str`）都被打印出来（\\n只是为了格式化输出）。

# print input text, binary code and DNA sequence
    print("\nThe original string is :" + "\n" + original_str + "\n")
    print("The string after binary conversion is :" + "\n" + binary_str + "\n")
    print("The string represented by single-letter codes is :" + "\n" + DNA_str + "\n")

下面是一个输出的例子。

![alt][alt 1]

这个项目的下一步是什么？

接下来，这个程序可以将文件、图片和视频转换为二进制序列，从而转换为核苷酸序列。通过包括不仅仅是文本，不同类型的信息可以被编码并存储在DNA中。另外，包括所产生的序列的文件可以被下载，以用于计算和统计技术的硅分析。

此外，由于有了更多的防护性编码，各种规则和算法可以更好地保护数据。从一系列具有不同安全程度的算法中，用户可以选择最能满足他们需求的算法，帮助他们完成目标。

![alt][alt 2]

用密码子对英文字母中的字符进行编码的另一种方式 最后，可以建立一个网站，使该程序更容易使用，并允许任何人将个人信息编码为基数序列。网上有许多文本到二进制和二进制到文本的转换器，为什么没有一个文本到核苷酸的转换器呢？

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