用“万物DNA”材料打印3D兔子。
近日,科学家通过一种含有DNA数据的材料3D打印出一只塑料兔子,之后切下尾巴,解码其中的DNA信息后,就可以再造出一只一模一样的兔子。这意味着,DNA真的能够实现无所不在的存储,未来我们的信息可以存在DNA里,而且不受形状所限。
齐鲁晚报·齐鲁壹点
记者 任志方
一只塑料兔子
竟有DNA
在电影《侏罗纪公园》里,科学家通过琥珀中的蚊子提取恐龙的DNA,成功让恐龙复活。这项来自瑞士苏黎世联邦理工学院和以色列Erlich Lab的神奇研究,首次将“万物DNA”材料作为信息存储工具,注入到了日常物品当中,而且通过DNA“复活”的并非是有生命的物体,而是一个塑料模型,这个模型被称为“斯坦福兔子”。这不是某个艺术工作者随意的作品,而是一种计算机图形学领域广泛采用的3D测试模型。
实验中,研究人员将“斯坦福兔子”0和1的二进制数据转换为DNA中四种碱基的数据(A、T、C、G),进而将DNA片段封装在二氧化硅小球内(小球大小为160纳米),这些小球则被嵌入可生物降解的热塑性聚酯中,最后使用所得的热塑性聚酯来进行3D兔子的打印。
这是一个DNA存储编码的过程,由压缩、纠错和转换三部分组成。在转换为DNA数据之前,“斯坦福兔子”的二进制立体光刻文件大小为100KB,用以合成DNA编码的数字蓝图被压缩到了45KB,这是为了最大化地利用DNA存储空间,需要对信息去除冗余以达到压缩的目的。
研究人员利用DNA喷泉编码技术,将数码信息转换为DNA序列信息,再将其封装到二氧化硅小球内,每个小球包含了数十个合成DNA分子。当然这个组装采用体外人工合成的方式,这样可避免细胞的排外性及受生物活动的影响。将DNA链封装于二氧化硅小球中,也是为了防止DNA降解。
解码,则是对存储的DNA片段进行复制扩增以备份,再对扩增得到的DNA片段进行测序,获取碱基序列后对序列纠错、去冗余、解码,即可得到原始信息。
复制到第五代兔子
DNA没有任何损失
在这个研究中,研究人员利用存储在塑料兔子中的DNA来复制兔子数据。具体而言,研究人员从3D兔子耳朵处剪下10毫克的打印材料,这占兔子总重量3.2克的0.3%,然后提取出其中的DNA(至此需4小时),扩增并测序(需17小时)。尽管有5.9%的原始信息丢失以及存在测序误差,但研究人员采用DNA喷泉解码器完美解读了“斯坦福兔子”的数据。解码过程只需要在普通笔记本电脑运行数分钟即可完成。
由此循环,由前一代扩增的DNA被封装到下一代中,研究人员连续创造出了五代兔子,且没有任何信息损失。即使第四代和第五代之间相隔了9个月,DNA信息一直保持高保真性和稳定性。
为了扩展这个研究的场景,研究人员还将一段有关华沙犹太区档案的视频编码进树脂玻璃中,再用该树脂玻璃制造了一副眼镜,只需一小块树脂玻璃,就能恢复其中隐藏的信息。
研究人员表示,这项研究最大的突破在于实证了万物皆可实现DNA存储的理论,且不受任何形状限制。美国加州大学洛杉矶分校的生物化学家Sriram Kosuri评价道,“这项研究最酷的地方,是证明了DNA真的能实现无处不在的存储。甚至你家里的锅碗瓢盆,以后都能携带‘遗传信息’了!当千年后的考古学家得到了一堆被注入DNA的碎瓷片,通过基因测序,他不仅能打造出一个一模一样的碗,甚至还能从中还原整个文明的面貌。”
数据存储正处在
一个新的早期节点
如今,我们所有的思想和行为,甚至日常活动,都可以通过照片和视频,以数据的形式进行存储。除了当手机里的存储空间快用完了时,我们很少会想起自己的数据痕迹。但是研究显示,在过去的几年里,我们共同产生的数据比人类历史上所有的数据都要多。
大数据已经成为一个大问题。我们可能会产生一个幻觉,那就是存储问题已经解决了,但实际上,我们只是把它外部化了。数字存储很昂贵,而且我们所拥有的存储设备都很难经得起时间的考验。
30年前,IBM发布了第一款硬盘。它的存储量相当于一首MP3歌曲,重量则超过一吨。均价10000美元一兆字节,很少有人会有兴趣购买这个东西,除非是收藏。但这是当时科学家能做的最好程度了。
如今,数据存储技术已经取得了长足的进步,全球的数据量不断增加,传统的存储架构,如硬盘和磁带,越来越难以跟上数据存储的需要。如果今天有人递给你一个软盘驱动器来备份你的演示文稿,你可能会觉得他们有点奇怪,而且如今的电脑已经用不了这个过时的东西。
装置逐渐达到存储极限,DNA被当作一种长期存储方案提出来。过去的研究已经强调了DNA的持久性和存储海量信息的能力,现在研究人员已经发现一种前所未有的方式,可利用其持久性进行存储。
在计算机中,所有数字都是由0、1构成的二进制编码,而DNA数据存储技术则是将0、1数据通过一定的编码方法转换成DNA中的A、T、C、G四种碱基,通过合成含有这些碱基序列的DNA即可实现数据信息存储。
与传统的存储介质相比,DNA数据存储具有存储密度高、保存时间长、易获取、易维护、能耗低等特点。有人研究过,DNA信息储存密度为一千万TB/立方厘米。在这种密度下,一个大约一米长的DNA立方体,就能满足目前世界上一年的信息储存需求,而且它如此稳定。我们至今都能通过远古时代的一截牙齿,一块骨头,还原遥远生物的全基因组信息。
早在1999年,《自然》杂志上就发表了关于DNA隐写术的文章,即把有用信息存放于一堆垃圾信息里面。作者将一段有用的DNA信息与人基因组信息混合后合成在一起。通过密钥进行聚合酶链式反应扩增获取目的片段,测序后解码获得信息:“6月6号入侵:诺曼底”。
经过半个多世纪的努力,现代生物科技公司正在加速推进DNA存储的开发与商业化应用。对于数据存储,我们正处在一个新的早期节点。
DNA存储将颠覆人们对数据存储的认知。在我们目前的存储世界里,硬盘必须是硬盘的样子,磁带必须是磁带的形状,光盘也须是光盘的外形,而DNA硬盘则不受形状所限。
虽然DNA存储技术目前还存在着诸多缺陷,但是其海量的存储性能、精巧的存储体积以及极长的存储时间,对于未来的大数据来说是一种十分诱人和极具潜力的存储方式。相信,在未来的某一天,我们会扔掉沉重的硬盘,拿起U盘大小的DNA存储介质,而在这里面存储的,是整个世界的知识。
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