北京時間12月10日消息，科學(xué)家在一只利用3D打印技術(shù)制成的“兔子”中注入了遺傳材料，向可能的“DNA物品”時代邁出了第一步。在“DNA物品”時代，生物技術(shù)會讓電子產(chǎn)品更智能。
過去9個月，無論去哪里——參加學(xué)術(shù)會議、去機場和穿越國境線，在以色列基因測序公司MyHeritage上班的雅尼夫·埃利希（Yaniv Erlich）都會隨身攜帶著一只白色的小塑料兔子。盡管看起來很可愛，這只金橘大小的塑料兔子并非是玩具或幸運符。不過，如果切斷它的腳，這只小兔子的神奇之處就展現(xiàn)出來了。利用切斷處的遺傳物質(zhì)，任何人都可以制造更多與它一模一樣的兔子——當(dāng)然，前提是需要有DNA測序儀和3D打印機。
這是怎么回事呢？其實很簡單。DNA是自然界中的遺傳信息存儲介質(zhì)，是一種雙螺旋結(jié)構(gòu)的生物大分子。但DNA也是一種編碼，這意味著我們可以利用它存儲其他信息。包括埃利希在內(nèi)的科學(xué)家，進行這方面的研究已經(jīng)有一段時間。有多家公司都在開發(fā)DNA數(shù)據(jù)存儲技術(shù)。但還沒有一家公司利用DNA尺寸小和信息存儲密度大的特性，將它“織入”日常物品結(jié)構(gòu)中。埃利希表示，將DNA整合到物品中，將形成“DNA物品”，物品的智能將不僅僅來自它們通過無線電波相互通訊的能力，也來自在物品中注入的信息。
這就是埃利希制造這只兔子的原因。
這只塑料兔子是在埃利希在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的合作者羅伯特·格拉斯（Robert Grass）的實驗室中利用3D打印技術(shù)制造的，身體內(nèi)嵌入了數(shù)以萬億計的微型玻璃珠，每個玻璃珠包含有數(shù)十個合成DNA分子。這些DNA分子存儲有制造這只兔子所需要的數(shù)字化圖紙，可以給3D打印機下達指令：噴頭移動到哪里，何時噴出打印材料生成兔子的四只爪子、兩只耳朵和尾巴。這只兔子包含有3.7億份描述其輪廓的數(shù)字文件。
從3D打印兔子耳朵上切掉一小塊碎片，就能復(fù)制出完全一模一樣的兔子
3D打印技術(shù)最早可以追溯到1993年春天，當(dāng)時，斯坦福大學(xué)圖形實驗室一名博士后工作人員出去購物時帶回一只陶土材質(zhì)的兔子。利用實驗室的激光掃描儀和相當(dāng)原始的圖像拼接軟件，他生成了陶土兔子的電腦化版本。被稱作“斯坦福大學(xué)兔子”的這個圖形文件，是首批3D物體的數(shù)字化表示之一。
它成為一代計算機圖形設(shè)計師的訓(xùn)練場。他們利用它學(xué)習(xí)如何對紋理分層、渲染兔毛。為了提高計算機圖形設(shè)計師創(chuàng)作動畫的能力，它“遭受了數(shù)不清的摧殘”。現(xiàn)在，兔子已經(jīng)成為學(xué)習(xí)3D打印課程的標(biāo)配，幾乎每個學(xué)習(xí)使用3D打印機的人的第一件作品，都是一只塑料兔子。
作為一名計算生物學(xué)家、白帽駭客，埃利希在2000年代中期曾“臭名遠(yuǎn)揚”：利用一部精心放置的手機攻破以色列一家大銀行。數(shù)年后，只利用互聯(lián)網(wǎng)連接，他泄露了一個匿名基因數(shù)據(jù)庫中用戶的身份。去年他表示，這類數(shù)據(jù)庫規(guī)模已經(jīng)相當(dāng)大，其中包含有逾半數(shù)美國人口的信息，甚至是從來沒有測試過DNA的人。
埃利希與其內(nèi)弟（一名圖形設(shè)計師）首先想到在物體中注入DNA的想法。他們當(dāng)時談?wù)摰脑掝}是：如何使照片——能掛在相框或放在相冊中的紙質(zhì)相機——不會因時間流逝而損毀。他想到：將JPEG格式文件編碼成DNA并噴在照片上或許是可行的，這將使照片能通過數(shù)字化技術(shù)進行復(fù)制。
DNA測序
但是，DNA是一種很脆弱的分子。高溫、酸堿性發(fā)生大的變動和紫外線，都會導(dǎo)致其性能下降，從而破壞其中的編碼信息。對于任何利用DNA存儲數(shù)據(jù)的想法而言，保留其化學(xué)結(jié)構(gòu)都是關(guān)鍵。
埃利希通過電子郵件與格拉斯討論了自己的想法。格拉斯開創(chuàng)了一種將DNA分子包進微型保護性玻璃外殼的方法。2013年，格拉斯就設(shè)計了生成帶正電荷的二氧化硅顆粒的工藝，這使它們能與帶負(fù)電荷的DNA密切結(jié)合。二氧化硅顆粒可以形成一層薄膜，保護DNA分子免受許多威脅。
利用這一技術(shù)，它們設(shè)計了一種工藝，利用材料本身的DNA記憶生產(chǎn)材料——就像我們身體中的細(xì)胞那樣。整個工藝包括將物體的數(shù)字化藍圖轉(zhuǎn)換成基因序列，生成相應(yīng)的DNA分子，把它們包裹在二氧化硅中，把二氧化硅微粒嵌入在熔化的塑料中，把塑料“紡成”細(xì)絲，把塑料細(xì)絲加入到3D打印機中，然后打印物體。他們的這一成果發(fā)表在今天出版的《自然·生物技術(shù)》上。
就像從理論上可以利用數(shù)個體細(xì)胞克隆人一樣，我們可以從埃利希的兔子身上剪一小片碎片，用它來生成另一只兔子。實際上，他隨身攜帶的那只兔子，其實是第三代克隆產(chǎn)品。利用從兔子耳朵上取下的一小塊碎片，就可以獲得格拉斯團隊用來3D打印兔子的數(shù)據(jù)文件。他們?nèi)芙獾羲槠械乃芰虾筒Ａ?，將保留的DNA轉(zhuǎn)換為數(shù)字文件，然后并將文件上傳到3D打印機?？茖W(xué)家一共生成了五代兔子，中間沒有出現(xiàn)任何信息丟失現(xiàn)象。雖然中間經(jīng)歷了相當(dāng)長時間，“歷代”兔子和描述它們的數(shù)字文件，仍然完全相同。
美國加州大學(xué)洛杉磯分校生物化學(xué)專家蘇里拉姆·科蘇里（Sriram Kosuri）表示，“這是更有前景的DNA數(shù)據(jù)存儲技術(shù)應(yīng)用途徑之一——普遍存儲的初級應(yīng)用?！崩闷毡榇鎯夹g(shù)，所有的日常物品都可以存儲有用的信息，例如生產(chǎn)地點、其配料或成分、使用手冊、安全提示，以及回收或處置建議?？铺K里指出，“他們兩人開發(fā)的工藝的有趣之處是，展示普遍存儲技術(shù)的可行性和可靠性。”
埃利希、格拉斯開發(fā)的工藝確實是可行的，但它實用嗎？至少在DNA測序儀和合成儀的價格更便宜、更普及之前，這一問題的答案是否定的。但埃利希并沒有因此退縮，他預(yù)言說，測序技術(shù)的普及將使具有DNA感知能力的水龍頭能檢測水中的有害物質(zhì)，馬桶能報告用戶的身體健康信息。
利用DNA開發(fā)的圖像搜索引擎
微軟資深科學(xué)家卡琳·斯特勞斯（Karin Strauss）表示，“直接將信息嵌入材料中將是一項真正有用的技術(shù)。”二維碼將徹底消失，用戶手冊不再有存在的必要。嵌有基于DNA的信息的物體，可以提供更高的性能。斯特勞斯負(fù)責(zé)分子信息系統(tǒng)的研究工作，并與美國國防部高級研究計劃局合作，利用DNA開發(fā)圖像搜索引擎。
這一技術(shù)仍然需要在各種環(huán)境中——例如高溫和強輻射——接受長時間測試，了解信息的保存時間。研究人員還需要嘗試其他材料和生產(chǎn)工藝。
埃利希的團隊還在進行另外一項實驗，在眼鏡的有機玻璃鏡片中存儲一段1.4 MB大小的視頻。它演示的不僅是這種技術(shù)存儲更多數(shù)據(jù)的能力，也演示了它用來“隱藏”信息的潛力。“DNA物品”設(shè)計可以把敏感文件藏在看似正常的物體中，使正常的物體變身為可以躲避安全檢查的秘密存儲設(shè)備。埃利希說，“這些物體看起來與普通物體無異，因此，這一技術(shù)是隱藏信息的一個非常有效的方法。”
格拉斯認(rèn)為這一技術(shù)最直接的應(yīng)用，是將信息嵌入在“長壽”物體中——它們的壽命可能會超過產(chǎn)生它們的公司，正在考慮成立一家新公司，將這一技術(shù)商業(yè)化。他在2012年與他人聯(lián)合創(chuàng)辦的Haelixa，已經(jīng)在銷售二氧化硅封裝的DNA二維碼——幫助跟蹤通過復(fù)雜供應(yīng)鏈的產(chǎn)品。
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