DNA 储存技术有了新突破,你身边的所有物品都能成为「硬盘」

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2019-12-11 11:34

爱范儿此前在一篇文章中提到,DNA 储存被认为是未来数据储存的一大趋势。根据发布在《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)期刊上的一项最新研究,DNA 储存技术又取得了一项新的突破。

据《连线》杂志报道,科学家通过一种含有 DNA 数据的材料 3D 打印出一只塑料塑料兔子。神奇的是,如果切下这只塑料兔子身上的尾巴,也可以在解码尾巴的 DNA 信息后,制造出一只一模一样的的兔子。

这个场景,不禁让人联想到电影《侏罗纪公园》里科学家通过琥珀中的蚊子提取中恐龙的 DNA,成功让恐龙复活。这次不一样的是,通过 DNA「复活」的并非有生命的物体,而是一个塑料模型。

▲图片来自:《侏罗纪公园》

可以想象一下,这项技术能让 DNA 里的数据储存在几乎任何物体中,这些物体损坏了没关系,只要还有一小块就能复原所有数据,也就说,所有物品都能成为储存数据的「硬盘」。

以色列基因测序公司 MyHeritage 的首席科学家 Yaniv Erlich 是这篇研究论文的主要作者,他把这种将 DNA 整合到日常的物品中的技术,称为「万物 DNA」(DNA of things),这将重新定义「智能设备」。

要了解那只神奇的塑料兔子是怎么制作出来的,首先得先简单了解 DNA 储存数据的原理,所有计算机数据都是以 0 和 1 组成的二进制数存储和运算的,而 DNA 储存技术则是用四种碱基来代替 0 和 1 ,将数字信号转化为化学信号。

根据研究论文的介绍,研究人员先将制作这只兔子的数字化模型数据转换为  DNA 的碱基数据,并将这些 DNA 分子封装到大小为 160 纳米的微型玻璃珠中,并将数万亿个嵌入可生物降解的热塑性聚酯,用这种材料 3D 打印出兔子,在这只塑料兔子里包含了 3.7 亿份描述其轮廓的数字文件。

▲塑料兔子的 3D 打印与解码原理图. 图片来自:《自然-生物技术》

这只兔子叫做斯坦福兔子 ( Stanford Bunny),这不是随便起的名字,所谓「斯坦福兔子」,是一种计算机图形学领域广泛采用的 3D 测试模型,是早在 1994 年由斯坦福大学图形实验制作。

3D 打印并不新鲜,真正的突破在于只需切下这只「斯坦福兔子」的一小块,就能还原整只兔子的数字化模型,这是怎么做到的?

研究人员通过聚合酶链式反应(PCR)对切下小块的 DNA 片段复制扩增,这能将微量的 DNA 大幅增加,最后通过 DNA 测序解读完整的原始数据。

不过这些操作能够实现的前提是保持 DNA 分子化学结构的完整,要知道 DNA 分子十分脆弱,高温、酸碱大幅变化和紫外线都可能破坏其中的编码信息,Yaniv Erlich 利用生成带正电荷的二氧化硅颗粒作为 DNA 分子的保护壳,让 DNA 分子在打印过程中免遭破坏。

据悉研究人员通过这种方式一共制作了五代兔子,在这个过程没有发生任何信息的丢失,每一代兔子的信息都和原始的数字文件相同。

美国加州大学洛杉矶分校生物化学专家 Sriram Kosuri 认为,这项研究展示了 DNA 数据储存技术更有前景的应用方式,即「让数据储存无处不在」,所有日常物品都可以用来储存有用的数据。

在研究论文中,就列举了这项技术在医学领域的应用,可以在医学植入物中储存这种植入物的信息和病人的病历资料,作为一种能保存更久的「DNA 电子病历」。

这项研究证明了这种技术的可行性,但现阶段并不实用。因为 DNA 数据的解码成本太高和而且十分耗时,目在 DNA 测序的价格还不够亲民, 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。

数据的输入和读取效率一直是 DNA 储存技术商业化的最大瓶颈之一,今年年初微软首次实现了全自动 DNA 信息存储,仅仅是编码「hello」五个字母,从转换到读取就要花费 21 小时。

除了 3D 打印的兔子,研究人员还进行了另外一项实验,将一段 1.4 MB 的视频储存在眼镜的树脂玻璃镜片中,来展示通过这种技术隐藏信息的潜力,这大概会成为特工们身上的又一项黑科技吧。

在科幻小说《三体》中,人们发现发现把信息储存 1 亿年的唯一可行方法,就是「把字刻在石头上」。很多人会说这样储存的信息量十分有限,但通过这种「万物 DNA」技术,将数据储存在石头上或许真的可能实现数据的永久储存。

题图来自:《连线》

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