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DNA存储技术新突破!一只3D打印兔子,向我们展现了“万物皆硬盘”的未来

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 Evelyn Zhang • 2019-12-12 11:57:11 来源:前瞻网 E3360G1

人类正在以惊人的速度创建数字数据——专家预测,到2020年,全球人均每秒将产生大约1.7兆字节的数据。

如今,大多数数据通常以1和0的形式存储在通常基于磁或光的系统(例如硬盘或DVD)上。考虑到这些系统的最大使用寿命约为一个世纪,而且与人类产生的大量数据相比,每个设备可以存储的数据量很小,因此这远非理想状态。在这一背景下,DNA被提出用作有效、灵活实现长期存储的解决方案。近年来,DNA数据存储研究已经成为国内外大公司(如微软)关注的一大方向。

过去的研究表明,可以将二进制代码的1和0转换为DNA的As,Ts,Cs和Gs,然后创建包含该代码的人工DNA分子。

每个生物都包含提供其存在代码的DNA,现在无生命的物体也可以具有该代码,从而实现“复制克隆”。

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最近,一个欧洲科学家团队宣布已经成功找到了一种将DNA基本上存储在任何物体中的方法——通过编码说明在兔子本身中创建3D打印塑料兔子的方法,证明了这种能力。

周一发表在《自然·生物技术》杂志(Nature Biotechnology)上的这项研究中,研究人员首先编码了该兔子在DNA中的印刷说明。然后,他们将DNA包裹在玻璃纳米珠中,并将珠添加到用于3D打印兔子的塑料中。

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研究人员罗伯特·格拉斯(Robert Grass)称:“像真正的兔子一样,我们的兔子也有自己的DNA蓝图。”

科学家以一种超前瞻的方式展示了该技术。他们将一种名为“斯坦福兔子”(Stanford Bunny)的计算机图形测试模型的蓝图编码为DNA兼容格式,这是3D计算机图形学中最常用的测试模型之一,也是首只DNA存储数据的兔子。该兔子总共包含3.7亿个描述其轮廓的数据文件副本,相信做3D打印的人都见识过这个模型了。

在打印了第一个兔子之后,研究人员用物理方法将兔子的耳朵剪掉了,并提取了含有DNA的珠子。“只需要很少的数量,” Erlich说,“DNA稀疏,但无处不在。”然后,他们使用DNA测序仪对指令进行解码,并将其转换回二进制.stl文件,从而产生用于打印兔子的数字指令。这只兔子三维结构的数据以双链DNA结构的形式内置在打印材料中。这样他们就可以创建另一个带有含DNA纳米珠的小兔子,然后再创建另一个……直到他们制造出五代相同的兔子。

总体而言,研究人员产生了五代兔子,每次都剪下前一代的片段,并对DNA进行解码以获取打印下一个克隆的说明。在这一过程中,没有信息丢失,封装了从前一代扩增到下一代的DNA,即使在相隔9个月的第四代和第五代之间,DNA蓝图也保持稳定。

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上图解释了塑料兔子的3D打印与解码原理 (图源:Nature Biotechnology)

研究团队将这一解码程序称为“DNA喷泉”(DNA Fountain),这使得他们可以在丢失多达80%DNA数据的情况下,仍然可以借助检索.stl文件恢复物体原貌。该程序的算法会根据可用信息填充空白,例如解决数独难题。

通过编码和解码,这只兔子模型实现了其自身数据的DNA存储和传递。推而广之,世界万物皆可实现 DNA 存储。“通过这种方法,我们可以将3D打印指令集成到一个对象中,这样几十年甚至几个世纪之后,就有可能直接从对象本身获取这些指令。”

这意味着从现在开始的一千年,一个人就可以只用一块兔子来解码其中存储的DNA,并确切了解小饰品的外观,甚至通过3D打印“克隆”出来。

DNA实现数据存储的优势是很明显的,这让它成为了这一研究领域的宠儿:几乎任何种类的数字信息都可以存储在DNA中,而且它不像硬盘、二维码这些方案一样需要固定的形状和格式。一克DNA可以存储十亿兆兆字节约215PB的数据,并可以保存数千年。按照高清电影每部10GB算,1克DNA能够存储 2.2 亿部电影!

但另一方面我们应当注意到,成本高、时间效率低是DNA数据存储应用普及的“拦路虎”:Yaniv Erlich制作那只兔子的成本大约就要14000元,而且从编码到解码需要花费几十个小时。而且,DNA是一个脆弱的分子,高温、强烈的pH波动和紫外线都会使其变质,从而降低其编码信息的质量。

保持其化学结构是实现任何DNA数据存储梦想的关键。研究人员率先提出了一种在微小的保护性玻璃壳内捕获DNA分子的方法。在2013年,研究人员Yaniv Erlich想出了如何制造带正电荷的二氧化硅颗粒,使其附着在带负电荷的DNA上的方法。它们会形成一层薄膜,可以保护分子免受多种威胁。幸运的是,他们利用这种技术设计了一种具有自身DNA记忆的材料生产工艺,就像人类自己体内的细胞一样。

不过最终,研究人员们相信自己的“万物DNA”(DNA-of-things,DoT)存储形式可用于将数据嵌入无数个物理对象中——与现在的硬盘驱动器和磁盘相比,其保存时间更长。研究人们指出,“万物DNA”的概念能够将秘密信息隐藏在物体中,甚至隐藏在其他类型的数字文件中,甚至可以成为迈向自我复制机器的重要一步。

也许它将使将来考古学家的工作变得容易得多。想象一下,如果一堆古老的陶器产生了制作整个船只复制品的信息,那该多么让人兴奋!

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