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DNA存储,不止停留在理论上

2019-12-12 11:22:47  来源:量子位

神奇的事情还是发生了——一只塑料兔子也能拥有自己的DNA。

并且,切下兔子身体的任何一部分,就能“克隆”此兔本兔。

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DNA作为信息存储工具,注入到了日常物品当中。

(苏黎世联邦理工学院,享有“欧陆第一名校”美誉,爱因斯坦1896年至1900年期间就读于此)

也就是说,甚至你家里的锅碗瓢盆,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。

UCLA的生物化学家Sriram Kosuri评价道:

“这项工作最酷的地方,是证明了DNA真的能实现无处不在的存储。”

这项最新研究成果,登上了Nature子刊《自然生物技术》。

能存储DNA的3D兔子是怎么来的?

我们知道每一个生物都有DNA,而今天这项技术让无生命的物体也可以拥有DNA。

这只3D兔子是在苏黎世联邦理工学院的实验室中被打印出来的。

嵌入在兔子聚合物基质中的,是数以万计的微小玻璃珠,而每一颗都包含着几十个合成 DNA 分子。

所以,兔子本身就可以称得上是一个数字蓝图:包含了3.7亿份描述它轮廓的数据文件。

这项研究采用的是一个叫 DoT(DNA of Things)的架构。

在这种架构中,DNA分子被融合到一种功能性材料中,从而创建具有不可变内存的对象。

研究人员选择了一个叫斯坦福兔子(Stanford Bunny)的对象。这是一个常用的计算机图形三维测试模型。

首先,将兔子的二进制立体光刻(STL)文件从100kB压缩到45kB。

接下来,使用DNA喷泉(DNA Foutain)技术将文件编码为12000个DNA寡核苷酸(oligos),这是通过单个CustomArray芯片所能产生的最大寡核苷酸数量。

与文件大小相比,DNA喷泉编码的冗余度为5.2x,这就意味着即使在缺失80%的DNA寡核苷酸的情况下,依然可以正确解码文件。

然后,将PCR扩增的寡核苷酸装载到SPED(silica particle-encapsulated DNA)珠子中,并将其嵌入聚己内酯(PCL)中。

PCL是一种可生物降解的热塑性聚酯,具有低熔点和在各种有机溶剂中的高溶解度,使其成为在温和条件下进行共混和印刷的理想材料。

为了准备3D打印灯丝(filament),研究人员将SPED胶囊与溶解的PCL混合,然后将混合物挤出到与台式3D打印机兼容的2.85mm灯丝中。

值得注意的是,灯丝中含有100mg kg−1(100ppm)的SPED珠,这对灯丝的机械性能、重量或颜色没有任何可检测到的变化。

每克SPED珠的DNA含量为2mg,即PCL灯丝的DNA浓度为0.2mg kg-1(0.2ppm),远远低于生物有机体的DNA浓度。

最后,研究人员使用存储在含DNA的PCL灯丝中的相同文件进行了Stanford Bunny的3D打印。

实验结果表明,通过使用便携式定序器,只需消耗少量的材料,就可以完美、快速地从3D对象检索数据。

研究人员从兔子的耳朵上剪下了约10mg打印的PCL,占兔子总重量(3.2 g)的0.3%。

而后,使用DoT架构进行了五代复制实验。

第四代和第五代之间隔了9个月的时间,这也就表明兔子具有长期存储DNA的能力。

并且,可以从这五代产物中,都可以检测到这个文件。

但在几乎每一轮复制中,数据的完整性都有所降低,都能看到脱落分子的比例在增加。

在将DNA插入PCL灯丝之前,原始文库的比例为5.9%,而在最后几代,这一比例超过了20%。

为了更好的了解复制对文库组成的影响,研究人员还是用了二项式分布对每个寡核苷酸的正确序列读取数进行了建模。

研究人员表示:

“几乎任何种类的数字信息都可以存储在DNA中。”

为了证明这点,他们将一个1.4M的视频存储在了DNA上,并放在了有机玻璃眼镜的镜片中。

使用一个类似于上述兔子实验的过程,团队也成功地从中获取了视频文件。

1kg DNA就能存储全球数据

用DNA来存储信息,已经是比较成熟的技术了。

DAN有4种碱基对:A-T、T-A、C-G、G-C,用来编码遗传信息。

二进制用0和1来编码信息,那么DNA就能用A,T,G,C四种碱基来转换数字信号。

用CRISPR基因编辑技术,可以制造出任何DNA序列,存储相应的数据。

并且,由于碱基有四种,一个本来要用8bit代表的字符,用DNA序列来表示只需要2个碱基对。

DNA存储的好处在于,它的存储密度要远超过硬盘、磁带等电子设备,1克DNA就足以存下海量信息。根据哈佛大学此前的研究,装满一鞋盒的DNA(约1kg)就能存储全球数据。

而且到目前为止,也只有DNA存储这类分子存储技术,在宏观上不被几何形状所限制。

这打开了新世界的大门。论文作者Erlich说,在物体中注入存储信息的DNA这项技术,未来还可以用于制造能够自我复制的机器人。

医师科学家Eric Topol则认为,DoT将DNA数据存储的概念提升到了前所未有的高度,包括医学应用。

另外一个好处是,DNA非常稳定,能存在成百上千年。

当DNA被注入各种各样的物品之中,也就意味着,未来的考古学家很可能通过一堆碎瓷片,就能复原一个文明的本来面貌。

不过,想要读取这些信息,需要进行DNA测序。

比如,哈佛大学的研究人员把一张骑马的动图,插到了大肠杆菌的DNA里。

然后,对细菌的基因组进行测序,以重建图像,准确率达到了90%。

DNA数据存储的另一大挑战,在于高昂的成本。无论是DNA合成还是DNA写入,现在都花费巨大。

据维基百科介绍,每兆字节的编码成本为12400美元,检索成本为220美元。

然而,有人指出,DNA合成和测序成本的指数级下降,如果这种趋势持续到未来,到2023年,应该会使这项技术在长期数据存储方面具有成本效益。

对此,Erlich认为,如果能实现批量生产,价格将大大降低。

DNA存储,不止停留在理论上

DNA数据存储也并不只是停留在理论上。

去年,来自法国的高中生Adrien Locatelli,就曾经把《圣经》和《古兰经》的一部分内容用DNA链编了码,然后用AAV2病毒当载体注入自己的身体。

今年6月,哈佛系的初创公司Catalog把16GB的英文维基百科内容编码在了DNA链上。

7月,Catalog又宣布成功把1TB数据,存到了重量仅以克计的DNA上,并且表示明年就会开始商业化。

而现在,这只带有遗传物质的3D打印兔子,又向“DNA物品”(DNA-of-things)迈出了一大步。

传送门

Nature:

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

DNA存储:

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/074237v1

DNA-fountain项目地址:

https://github.com/TeamErlich/dna-fountain

参考资料:

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

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