根據發佈在《自然生物科技》期刊上的一項最新研究,DNA儲存技術又取得了一項新的突破。

據《Wired》雜誌報導,科學家通過一種含有DNA數據的材料3D打印出一隻塑料兔子。神奇的是,如果切下這只塑料兔子身上的尾巴,也可以在解碼尾巴的DNA訊息後,製造出一隻一模一樣的的兔子。

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這個場景,不禁讓人聯想到電影《侏羅紀公園》里科學家通過琥珀中的蚊子提取中恐龍的DNA,成功讓恐龍復活。這次不一樣的是,通過DNA「復活」的並非有生命的物體,而是一個塑料模型。


▲圖片來自:《侏羅紀公園》

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可以想像一下,這項技術能讓DNA 裡的數據儲存在幾乎任何物體中,這些物體損壞了沒關係,只要還有一小塊就能複原所有數據,也就說,所有物品都能成為儲存數據的「硬碟」。

以色列基因測序公司 MyHeritage 的首席科學家 Yaniv Erlich 是這篇研究論文的主要作者,他把這種將 DNA 整合到日常的物品中的技術,稱為「萬物DNA」(DNA of things),這將重新定義「智慧設備」。

要了解那隻神奇的塑料兔子是怎麼製作出來的,首先得先簡單了解DNA 儲存數據的原理,所有計算機數據都是以 0 和 1 組成的二進位數存儲和運算的,而 DNA 儲存技術則是用四種鹼基來代替 0 和 1 ,將數字信號轉化為化學信號。

根據研究論文的介紹,研究人員先將製作這隻兔子的數位化模型數據轉換為DNA 的鹼基數據,並將這些DNA 分子封裝到大小為160 納米的微型玻璃珠中,並將數萬億個嵌入可生物降解的熱塑性聚酯,用這種材料3D 打印出兔子,在這只塑料兔子裡包含了3.7 億份描述其輪廓的數位文件。


▲塑料兔子的3D 打印與解碼原理圖. 圖片來自:《自然生物科技》

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這隻兔子叫做史丹佛兔子( Stanford Bunny),這不是隨便起的名字,所謂「史丹佛兔子」,是一種計算機圖形學領域廣泛採用的 3D 測試模型,是早在1994 年由史丹佛大學圖形實驗製作。

3D 打印並不新鮮,真正的突破在於只需切下這只「史丹佛兔子」的一小塊,就能還原整隻兔子的數位化模型,這是怎麼做到的?

研究人員通過聚合酶鍊式反應(PCR)對切下小塊的 DNA 片段複製擴增,這能將微量的 DNA 大幅增加,最後通過 DNA 測序解讀完整的原始數據。

 

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不過這些操作能夠實現的前提是保持 DNA 分子化學結構的完整,要知道 DNA 分子十分脆弱,高溫、酸鹼大幅變化和紫外線都可能破壞其中的編碼信息,Yaniv Erlich 利用生成帶正電荷的二氧化矽顆粒作為 DNA 分子的保護殼,讓 DNA 分子在打印過程中免遭破壞。

據悉研究人員通過這種方式一共製作了五代兔子,在這個過程沒有發生任何信息的丟失,每一代兔子的信息都和原始的數字文件相同。

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美國加州大學洛杉磯分校生物化學專家 Sriram Kosuri 認為,這項研究展示了 DNA 數據儲存技術更有前景的應用方式,即「讓數據儲存無處不在」,所有日常物品都可以用來儲存有用的數據。

在研究論文中,就列舉了這項技術在醫學領域的應用,可以在醫學植入物中儲存這種植入物的信息和病人的病歷資料,作為一種能保存更久的「DNA 電子病歷」 。

這項研究證明了這種技術的可行性,但現階段並不實用。因為 DNA 數據的解碼成本太高和而且十分耗時,目前在 DNA 測序的價格還不夠親民, Yaniv Erlich 製作那隻兔子的成本大約就要14,000元,而且從編碼到解碼需要花費幾十個小時。

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數據的輸入和讀取效率一直是 DNA 儲存技術商業化的最大瓶頸之一,今年初微軟首次實現了全自動DNA信息存儲,僅僅是編碼「hello」五個字母,從轉換到讀取就要花費21小時。

除了 3D 打印的兔子,研究人員還進行了另外一項實驗,將一段 1.4 MB 的視頻儲存在眼鏡的樹脂玻璃鏡片中,來展示通過這種技術隱藏信息的潛力,這大概會成為特工們身上的又一項黑科技吧。

在科幻小說《三體》中,人們發現發現把信息儲存 1 億年的唯一可行方法,就是「把字刻在石頭上」。很多人會說這樣儲存的信息量十分有限,但通過這種「萬物DNA」技術,將數據儲存在石頭上或許真的可能實現數據的永久儲存。

 

消息/圖片來源:ifanrWired

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