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DNA存儲,不止停留在理論上

2019-12-12 11:22:47  來源:量子位

神奇的事情還是發生了——一只塑料兔子也能擁有自己的DNA。

并且,切下兔子身體的任何一部分,就能“克隆”此兔本兔。

這項來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院和以色列Erlich Lab的神奇研究,首次將DNA作為信息存儲工具,注入到了日常物品當中。

(蘇黎世聯邦理工學院,享有“歐陸第一名校”美譽,愛因斯坦1896年至1900年期間就讀于此)

也就是說,甚至你家里的鍋碗瓢盆,都能攜帶“遺傳信息”了!

當千年后的考古學家得到了一堆被注入DNA的碎瓷片,通過基因測序,他不僅能打造出一個一模一樣的碗,甚至還能從中還原整個文明的面貌。

UCLA的生物化學家Sriram Kosuri評價道:

“這項工作最酷的地方,是證明了DNA真的能實現無處不在的存儲。”

這項最新研究成果,登上了Nature子刊《自然生物技術》。

能存儲DNA的3D兔子是怎么來的?

我們知道每一個生物都有DNA,而今天這項技術讓無生命的物體也可以擁有DNA。

這只3D兔子是在蘇黎世聯邦理工學院的實驗室中被打印出來的。

嵌入在兔子聚合物基質中的,是數以萬計的微小玻璃珠,而每一顆都包含著幾十個合成 DNA 分子。

所以,兔子本身就可以稱得上是一個數字藍圖:包含了3.7億份描述它輪廓的數據文件。

這項研究采用的是一個叫 DoT(DNA of Things)的架構。

在這種架構中,DNA分子被融合到一種功能性材料中,從而創建具有不可變內存的對象。

研究人員選擇了一個叫斯坦福兔子(Stanford Bunny)的對象。這是一個常用的計算機圖形三維測試模型。

首先,將兔子的二進制立體光刻(STL)文件從100kB壓縮到45kB。

接下來,使用DNA噴泉(DNA Foutain)技術將文件編碼為12000個DNA寡核苷酸(oligos),這是通過單個CustomArray芯片所能產生的最大寡核苷酸數量。

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,并將其嵌入聚己內酯(PCL)中。

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

為了準備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式3D打印機兼容的2.85mm燈絲中。

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

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),遠遠低于生物有機體的DNA濃度。

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

實驗結果表明,通過使用便攜式定序器,只需消耗少量的材料,就可以完美、快速地從3D對象檢索數據。

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架構進行了五代復制實驗。

第四代和第五代之間隔了9個月的時間,這也就表明兔子具有長期存儲DNA的能力。

并且,可以從這五代產物中,都可以檢測到這個文件。

但在幾乎每一輪復制中,數據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,原始文庫的比例為5.9%,而在最后幾代,這一比例超過了20%。

為了更好的了解復制對文庫組成的影響,研究人員還是用了二項式分布對每個寡核苷酸的正確序列讀取數進行了建模。

研究人員表示:

“幾乎任何種類的數字信息都可以存儲在DNA中。”

為了證明這點,他們將一個1.4M的視頻存儲在了DNA上,并放在了有機玻璃眼鏡的鏡片中。

使用一個類似于上述兔子實驗的過程,團隊也成功地從中獲取了視頻文件。

1kg DNA就能存儲全球數據

用DNA來存儲信息,已經是比較成熟的技術了。

DAN有4種堿基對:A-T、T-A、C-G、G-C,用來編碼遺傳信息。

二進制用0和1來編碼信息,那么DNA就能用A,T,G,C四種堿基來轉換數字信號。

用CRISPR基因編輯技術,可以制造出任何DNA序列,存儲相應的數據。

并且,由于堿基有四種,一個本來要用8bit代表的字符,用DNA序列來表示只需要2個堿基對。

DNA存儲的好處在于,它的存儲密度要遠超過硬盤、磁帶等電子設備,1克DNA就足以存下海量信息。根據哈佛大學此前的研究,裝滿一鞋盒的DNA(約1kg)就能存儲全球數據。

而且到目前為止,也只有DNA存儲這類分子存儲技術,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,在物體中注入存儲信息的DNA這項技術,未來還可以用于制造能夠自我復制的機器人。

醫師科學家Eric Topol則認為,DoT將DNA數據存儲的概念提升到了前所未有的高度,包括醫學應用。

另外一個好處是,DNA非常穩定,能存在成百上千年。

當DNA被注入各種各樣的物品之中,也就意味著,未來的考古學家很可能通過一堆碎瓷片,就能復原一個文明的本來面貌。

不過,想要讀取這些信息,需要進行DNA測序。

比如,哈佛大學的研究人員把一張騎馬的動圖,插到了大腸桿菌的DNA里。

然后,對細菌的基因組進行測序,以重建圖像,準確率達到了90%。

DNA數據存儲的另一大挑戰,在于高昂的成本。無論是DNA合成還是DNA寫入,現在都花費巨大。

據維基百科介紹,每兆字節的編碼成本為12400美元,檢索成本為220美元。

然而,有人指出,DNA合成和測序成本的指數級下降,如果這種趨勢持續到未來,到2023年,應該會使這項技術在長期數據存儲方面具有成本效益。

對此,Erlich認為,如果能實現批量生產,價格將大大降低。

DNA存儲,不止停留在理論上

DNA數據存儲也并不只是停留在理論上。

去年,來自法國的高中生Adrien Locatelli,就曾經把《圣經》和《古蘭經》的一部分內容用DNA鏈編了碼,然后用AAV2病毒當載體注入自己的身體。

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

7月,Catalog又宣布成功把1TB數據,存到了重量僅以克計的DNA上,并且表示明年就會開始商業化。

而現在,這只帶有遺傳物質的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:

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

DNA-fountain項目地址:

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

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