一只塑料兔竟有DNA，身體每處都能“克隆” 本兔｜ 愛因斯坦母校最新研究

十三 魚羊 2019-12-11 12:46:13 來(lái)源：量子位

魚羊 十三 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

神奇的事情還是發(fā)生了——一只塑料兔子也能擁有自己的DNA。

△圖源：WIRED

并且，切下兔子身體的任何一部分，就能“克隆”此兔本兔。

這項(xiàng)來(lái)自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和以色列Erlich Lab的神奇研究，首次將DNA作為信息存儲(chǔ)工具，注入到了日常物品當(dāng)中。

（蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院，享有“歐陸第一名?！泵雷u(yù)，愛因斯坦1896年至1900年期間就讀于此）

也就是說(shuō)，甚至你家里的鍋碗瓢盆，都能攜帶“遺傳信息”了！

當(dāng)千年后的考古學(xué)家得到了一堆被注入DNA的碎瓷片，通過(guò)基因測(cè)序，他不僅能打造出一個(gè)一模一樣的碗，甚至還能從中還原整個(gè)文明的面貌。

UCLA的生物化學(xué)家Sriram Kosuri評(píng)價(jià)道：

這項(xiàng)工作最酷的地方，是證明了DNA真的能實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的存儲(chǔ)。

這項(xiàng)最新研究成果，登上了Nature子刊《自然生物技術(shù)》。

能存儲(chǔ)DNA的3D兔子是怎么來(lái)的？

我們知道每一個(gè)生物都有DNA，而今天這項(xiàng)技術(shù)讓無(wú)生命的物體也可以擁有DNA。

這只3D兔子是在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室中被打印出來(lái)的。

嵌入在兔子聚合物基質(zhì)中的，是數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微小玻璃珠，而每一顆都包含著幾十個(gè)合成 DNA 分子。

所以，兔子本身就可以稱得上是一個(gè)數(shù)字藍(lán)圖：包含了3.7億份描述它輪廓的數(shù)據(jù)文件。

這項(xiàng)研究采用的是一個(gè)叫 DoT(DNA of Things)的架構(gòu)。

在這種架構(gòu)中，DNA分子被融合到一種功能性材料中，從而創(chuàng)建具有不可變內(nèi)存的對(duì)象。

研究人員選擇了一個(gè)叫斯坦福兔子(Stanford Bunny)的對(duì)象。這是一個(gè)常用的計(jì)算機(jī)圖形三維測(cè)試模型。

首先，將兔子的二進(jìn)制立體光刻(STL)文件從100kB壓縮到45kB。

接下來(lái)，使用DNA噴泉(DNA Foutain)技術(shù)將文件編碼為12000個(gè)DNA寡核苷酸(oligos)，這是通過(guò)單個(gè)CustomArray芯片所能產(chǎn)生的最大寡核苷酸數(shù)量。

與文件大小相比，DNA噴泉編碼的冗余度為5.2x，這就意味著即使在缺失80%的DNA寡核苷酸的情況下，依然可以正確解碼文件。

然后，將PCR擴(kuò)增的寡核苷酸裝載到SPED(silica particle-encapsulated DNA)珠子中，并將其嵌入聚己內(nèi)酯(PCL)中。

PCL是一種可生物降解的熱塑性聚酯，具有低熔點(diǎn)和在各種有機(jī)溶劑中的高溶解度，使其成為在溫和條件下進(jìn)行共混和印刷的理想材料。

為了準(zhǔn)備3D打印燈絲(filament)，研究人員將SPED膠囊與溶解的PCL混合，然后將混合物擠出到與臺(tái)式3D打印機(jī)兼容的2.85mm燈絲中。

值得注意的是，燈絲中含有100mg kg?1(100ppm)的SPED珠，這對(duì)燈絲的機(jī)械性能、重量或顏色沒(méi)有任何可檢測(cè)到的變化。

每克SPED珠的DNA含量為2mg，即PCL燈絲的DNA濃度為0.2mg kg-1(0.2ppm)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生物有機(jī)體的DNA濃度。

最后，研究人員使用存儲(chǔ)在含DNA的PCL燈絲中的相同文件進(jìn)行了Stanford Bunny的3D打印。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)使用便攜式定序器，只需消耗少量的材料，就可以完美、快速地從3D對(duì)象檢索數(shù)據(jù)。

研究人員從兔子的耳朵上剪下了約10mg打印的PCL，占兔子總重量(3.2 g)的0.3％。

而后，使用DoT架構(gòu)進(jìn)行了五代復(fù)制實(shí)驗(yàn)。

第四代和第五代之間隔了9個(gè)月的時(shí)間，這也就表明兔子具有長(zhǎng)期存儲(chǔ)DNA的能力。

并且，可以從這五代產(chǎn)物中，都可以檢測(cè)到這個(gè)文件。

但在幾乎每一輪復(fù)制中，數(shù)據(jù)的完整性都有所降低，都能看到脫落分子的比例在增加。

在將DNA插入PCL燈絲之前，原始文庫(kù)的比例為5.9%，而在最后幾代，這一比例超過(guò)了20%。

為了更好的了解復(fù)制對(duì)文庫(kù)組成的影響，研究人員還是用了二項(xiàng)式分布對(duì)每個(gè)寡核苷酸的正確序列讀取數(shù)進(jìn)行了建模。

研究人員表示：

幾乎任何種類的數(shù)字信息都可以存儲(chǔ)在 DNA 中。

為了證明這點(diǎn)，他們將一個(gè)1.4M的視頻存儲(chǔ)在了DNA上，并放在了有機(jī)玻璃眼鏡的鏡片中。

使用一個(gè)類似于上述兔子實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，團(tuán)隊(duì)也成功地從中獲取了視頻文件。

1kg DNA就能存儲(chǔ)全球數(shù)據(jù)

用DNA來(lái)存儲(chǔ)信息，已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)了。

DNA有4種堿基對(duì)：A-T、T-A、C-G、G-C，用來(lái)編碼遺傳信息。

二進(jìn)制用0和1來(lái)編碼信息，那么DNA就能用A，T，G，C四種堿基來(lái)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)。

用CRISPR基因編輯技術(shù)，可以制造出任何DNA序列，存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

并且，由于堿基有四種，一個(gè)本來(lái)要用8bit代表的字符，用DNA序列來(lái)表示只需要2個(gè)堿基對(duì)。

DNA存儲(chǔ)的好處在于，它的存儲(chǔ)密度要遠(yuǎn)超過(guò)硬盤、磁帶等電子設(shè)備，1克DNA就足以存下海量信息。根據(jù)哈佛大學(xué)此前的研究，裝滿一鞋盒的DNA（約1kg）就能存儲(chǔ)全球數(shù)據(jù)。

而且到目前為止，也只有DNA存儲(chǔ)這類分子存儲(chǔ)技術(shù)，在宏觀上不被幾何形狀所限制。

這打開了新世界的大門。論文作者Erlich說(shuō)，在物體中注入存儲(chǔ)信息的DNA這項(xiàng)技術(shù)，未來(lái)還可以用于制造能夠自我復(fù)制的機(jī)器人。

醫(yī)師科學(xué)家Eric Topol則認(rèn)為，DoT將DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的概念提升到了前所未有的高度，包括醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

另外一個(gè)好處是，DNA非常穩(wěn)定，能存在成百上千年。

當(dāng)DNA被注入各種各樣的物品之中，也就意味著，未來(lái)的考古學(xué)家很可能通過(guò)一堆碎瓷片，就能復(fù)原一個(gè)文明的本來(lái)面貌。

不過(guò)，想要讀取這些信息，需要進(jìn)行DNA測(cè)序。

比如，哈佛大學(xué)的研究人員把一張騎馬的動(dòng)圖，插到了大腸桿菌的DNA里。

然后，對(duì)細(xì)菌的基因組進(jìn)行測(cè)序，以重建圖像，準(zhǔn)確率達(dá)到了90%。

DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的另一大挑戰(zhàn)，在于高昂的成本。無(wú)論是DNA合成還是DNA寫入，現(xiàn)在都花費(fèi)巨大。

據(jù)維基百科介紹，每兆字節(jié)的編碼成本為12400美元，檢索成本為220美元。

然而，有人指出，DNA合成和測(cè)序成本的指數(shù)級(jí)下降，如果這種趨勢(shì)持續(xù)到未來(lái)，到2023年，應(yīng)該會(huì)使這項(xiàng)技術(shù)在長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面具有成本效益。

對(duì)此，Erlich認(rèn)為，如果能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，價(jià)格將大大降低。

DNA存儲(chǔ)，不止停留在理論上

DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也并不只是停留在理論上。

去年，來(lái)自法國(guó)的高中生Adrien Locatelli，就曾經(jīng)把《圣經(jīng)》和《古蘭經(jīng)》的一部分內(nèi)容用DNA鏈編了碼，然后用AAV2病毒當(dāng)載體注入自己的身體。

今年6月，哈佛系的初創(chuàng)公司Catalog把16GB的英文維基百科內(nèi)容編碼在了DNA鏈上。

7月，Catalog又宣布成功把1TB數(shù)據(jù)，存到了重量?jī)H以克計(jì)的DNA上，并且表示明年就會(huì)開始商業(yè)化。

而現(xiàn)在，這只帶有遺傳物質(zhì)的3D打印兔子，又向“DNA物品”（DNA-of-things）邁出了一大步。

傳送門

Nature：
https://www.nature.com/articles/s41587-019-0356-z

DNA存儲(chǔ)：
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/074237v1

DNA-fountain項(xiàng)目地址：
https://github.com/TeamErlich/dna-fountain

參考資料：

Wired：
https://www.wired.com/story/these-plastic-bunnies-got-a-dna-upgrade-next-up-the-world/

IEEE Spectrum：
https://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/devices/dna-of-things