3D打印又上Nature：一只打印的兔子儲存了自身的DNA信息

2019年12月11日，南極熊獲悉，一篇名為“A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory”的研究論文在《自然-生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）期刊發(fā)表。

研究人員成功的將DNA數(shù)據(jù)儲存在一只3D打印的兔子當(dāng)中。

具體來講，研究人員將斯坦福兔子的 0 和 1 的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 DNA 中 4 種堿基的數(shù)據(jù)（ A、T、C、G），進(jìn)而將 DNA 片段封裝在二氧化硅小球內(nèi)（小球大小為 160 納米），這些小球則被嵌入可生物降解的3D打印聚合物材料中，最后使用這些聚合物材料來進(jìn)行兔子的 3D 打印。

如果你還是讀不懂，下面我們來分步驟解讀這項(xiàng)發(fā)表在《Nature》上的黑科技。

第一步：選擇一個3D數(shù)據(jù)模型，這里研究人員使用的是斯坦福兔子( Stanford Bunny)，做3D打印行業(yè)的熊友一定都打印過這個模型；

以前，你應(yīng)該是直接將斯坦福兔子 .stl格式的數(shù)據(jù)文件切片，然后導(dǎo)入FDM 3D打印機(jī)中打印出一只兔子模型。而《Natrue》文章的作者卻在這個過程中“動起了手腳”。

第二步：將斯坦福兔子 .stl格式文件的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 DNA中 4 種堿基的數(shù)據(jù)（ A、T、C、G），然后從制造商訂購DNA寡核苷酸。

STL (STereoLithography, 立體光刻)是由3D Systems軟件公司創(chuàng)立、原本用于立體光刻計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的文件格式。STL文件僅描述三維物體的表面幾何形狀，沒有顏色、材質(zhì)貼圖屬性。STL文件有ASCII和二進(jìn)制兩種格式。二進(jìn)制型式因較簡潔而較常見。

DNA數(shù)據(jù)是由四個字母組成的序列，每個字母代表生命的化學(xué)組成部分。對于數(shù)據(jù)存儲，可以將這些字母（A，T，G和C）中的每個字母分配給一條信息（如二進(jìn)制代碼），并對其進(jìn)行排序以記錄一組復(fù)雜的數(shù)據(jù)。

第三步：通過PCR對DNA進(jìn)行指數(shù)擴(kuò)增，在50分鐘內(nèi)生成了10億個文件；

聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）是一種用于放大擴(kuò)增特定的DNA片段的分子生物學(xué)技術(shù)，它可看作是生物體外的特殊DNA復(fù)制，PCR的最大特點(diǎn)是能將微量的DNA大幅增加。因此，無論是化石中的古生物、歷史人物的殘骸，還是幾十年前兇殺案中兇手所遺留的毛發(fā)、皮膚或血液，只要能分離出一丁點(diǎn)的DNA，就能用PCR加以放大，進(jìn)行比對。

第四步：將DNA序列編碼到寡核苷酸上，寡核苷酸是構(gòu)成DNA的核酸合成鏈，然后封裝在二氧化硅納米顆粒中。

第五步：將含DNA的納米粒子與熱塑性塑料混合，并使用桌面級的拉絲機(jī)擠成線材，用于3D打印。

第六步：用擠好的線材在桌面型的FDM 3D打印機(jī)上打印出斯坦福兔子的模型。

最終的結(jié)果就是，這只3D打印的兔子體內(nèi)儲存了自身數(shù)據(jù)的DNA編碼，既然是儲存那么能否讀取這個數(shù)據(jù)呢?

第七步：讀取數(shù)據(jù)

從斯坦福兔子的耳朵上取下一塊塑料，并放到溶液中分解

然后將溶液放到設(shè)備中檢測，讀取DNA文件

結(jié)果是，成功的讀取出耳朵上所存儲的DNA編碼數(shù)據(jù)。

第八步：數(shù)據(jù)復(fù)制

研究人員從兔子耳朵處剪下 10 毫克的打印材料，這占兔子總重量 3.2 克的 0.3%，然后提取出其中的 DNA，擴(kuò)增并測序。盡管有 5.9％ 的原始寡核苷酸丟失以及存在測序誤差，但研究人員采用 DNA 噴泉解碼器完美解讀了斯坦福兔子的數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步研究，由前一代擴(kuò)增的 DNA 被封裝到下一代中，研究人員連續(xù)創(chuàng)造出了 5 代兔子，且沒有任何信息損失。即使第四代和第五代之間相隔了 9 個月，DNA 信息一直保持高保真性和穩(wěn)定性。

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△完整介紹視頻

第九步：擴(kuò)展研究

在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)證明了能夠在有機(jī)玻璃眼鏡鏡片中的DNA上存儲1.4 MB視頻的能力。


自從 1950 年代 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家就萌生了用 DNA 的 4 種堿基來存儲數(shù)據(jù)的想法。哈佛大學(xué)的 George Church 教授團(tuán)隊(duì)于 2012 年將一本 Church 著作的圖書數(shù)據(jù)（659kB）存儲在了 DNA 中，他們采用了二對一的對應(yīng)關(guān)系，其中二進(jìn)制的“0”用腺嘌呤或胞嘧啶表示，而二進(jìn)制的“1”則用鳥嘌呤或胸腺嘧啶代表。

2017 年，Yaniv Erlich 等人在《科學(xué)》雜志上報告說，他們將 6 個文件存入了 DNA 中，這 6 個文件包括一個完整的計算機(jī)操作系統(tǒng)、一種計算機(jī)病毒、一部法國電影，和由信息論創(chuàng)始人、美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)（Claude Shannon）在 1948 年進(jìn)行的一項(xiàng)研究。

在《科學(xué)》雜志的這項(xiàng)研究中，作者Yaniv Erlich 正是采用了斯坦福兔子研究中用到的 DNA 噴泉編碼技術(shù)，即將 DNA 片段隨機(jī)打包為“水滴”來儲存，這些水滴中添加了額外的標(biāo)簽以便以后能夠重新組裝。該技術(shù)具有獨(dú)立隨機(jī)性，且編譯碼復(fù)雜程度低，有容錯糾錯機(jī)制，能高概率恢復(fù)存儲信息。


論文鏈接：A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory

資料來源：3dprintingindustry、DeepTech深科技