DNA 儲存技術有新突破,你身邊所有物品都能成為「硬碟」

作者 | 發布日期 2019 年 12 月 14 日 12:00 | 分類 3D列印 , 儲存設備 , 生物科技 Telegram share ! follow us in feedly


DNA 儲存認為是未來數據儲存的一大趨勢,根據發表於《自然─生物技術》(Nature Biotechnology)期刊的最新研究,DNA 儲存技術又取得新突破。

據《Wired》報導,科學家透過含 DNA 數據的材料 3D 列印一隻塑膠兔子,神奇的是,如果切下塑膠兔子的尾巴,也可以解碼尾巴的 DNA 訊息後,製造出一隻一模一樣的兔子。

(Source:Wired

這個場景,不禁讓人聯想電影《侏羅紀公園》的科學家透過封於琥珀的蚊子提取恐龍的 DNA,成功讓恐龍復活。這次不一樣的是,透過 DNA「復活」的並非有生命的物體,而是塑膠模型。

想像一下,這項技術能讓 DNA 的數據儲存在幾乎任何物體,這些物體損壞了沒關係,只要還有一小塊就能復原所有數據,也就說,所有物品都能成為儲存數據的「硬碟」。

以色列基因測序公司 MyHeritage 首席科學家 Yaniv Erlich 是這篇研究論文的主要作者,他把這種將 DNA 整合到日常物品的技術,稱為「萬物 DNA」(DNA of things),這將重新定義「智慧設備」。

要了解神奇的塑膠兔子是怎麼做出來的,首先得簡單了解 DNA 儲存數據的原理。所有計算機數據都是以 0 和 1 組成的二進制數儲存和運算,而 DNA 儲存技術是用 4 種鹼基代替 0 和 1 ,將數位信號轉為化學信號。

根據論文介紹,研究人員先將兔子的數位化模型數據轉換為 DNA 的鹼基數據,並將 DNA 分子封裝至大小 160 奈米的微型玻璃珠,並將數兆個珠子嵌入可生物降解的熱塑性聚酯,用這種材料 3D 列印兔子,所以塑膠兔子體內包含 3.7 億份描述輪廓的數位文件。

▲ 塑膠兔子的 3D 列印與解碼原理圖。(Source:Nature

這隻兔子叫史丹佛兔子(Stanford Bunny),這不是隨便取的名字,所謂「史丹佛兔子」,是計算機圖形學領域廣泛採用的 3D 測試模型,早在 1994 年由史丹佛大學圖形實驗製作出來。

3D 列印並不新鮮,真正的突破在於只需切下這隻「史丹佛兔子」一小塊,就能還原整個兔子的數位化模型,這是怎麼做到的?

研究人員透過聚合酶鍊式反應(PCR)複製擴增小塊 DNA 片段,這能將微量 DNA 大幅增加,最後透過 DNA 測序解讀完整原始數據。

(Source:shutterstock)

不過這些操作能做到的前提是保持 DNA 分子化學結構完整,DNA 分子十分脆弱,高溫、酸鹼大幅變化和紫外線都可能破壞其中的編碼訊息,Yaniv Erlich 利用生成帶正電荷的二氧化矽顆粒為 DNA 分子的保護殼,讓 DNA 分子於列印過程免遭破壞。

據悉研究人員透過這種方式一共做了 5 代兔子,過程中沒有任何訊息遺失,每代兔子的訊息都和原始數位文件相同。

美國加州大學洛杉磯分校生物化學專家 Sriram Kosuri 認為,這項研究展示 DNA 數據儲存技術更有前景的應用方式,即「讓數據儲存無處不在」,所有日常物品都可用來儲存有用的數據。

研究論文列舉這項技術在醫學領域的應用,可在醫學植入物儲存植入物的訊息和病人的病歷資料,當成能保存更久的「DNA 電子病歷」 。

這項研究證明這種技術的可行性,但現階段並不實用。因為 DNA 數據的解碼成本太高且十分耗時。目前 DNA 測序價格還不夠親民,Yaniv Erlich 製作兔子的成本約新台幣 61,530 元,且從編碼到解碼需要花費幾十個小時。

數據輸入和讀取效率一直是 DNA 儲存技術商業化的最大瓶頸之一,今年初微軟首次達成全自動 DNA 訊息儲存,僅編碼「hello」5 個字母,從轉換到讀取就要花 21 小時。

除了 3D 列印兔子,研究人員還進行另外一項實驗,將一段 1.4MB 的影片儲存於眼鏡的樹脂玻璃鏡片,展示透過這種技術隱藏訊息的潛力。這大概會成為電影裡特工的又一項黑科技吧。

在科幻小說《三體》,人們發現發現訊息儲存 1 億年的唯一可行方法,就是「把字刻在石頭上」。很多人會說這樣儲存的訊息量十分有限,但透過這種「萬物 DNA」技術,將數據儲存在石頭裡,或許真的能做到數據永久儲存。

(本文由 愛范兒 授權轉載;首圖來源:Flickr/Christiaan Colen CC BY 2.0)