3D打印又上Nature:一只打印的兔子储存了自身的DNA信息

3D打印科研前沿
2019
12/11
13:56
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2019年12月11日,南极熊获悉,一篇名为“A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory”的研究论文在《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)期刊发表。

研究人员成功的将DNA数据储存在一只3D打印的兔子当中。

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具体来讲,研究人员将斯坦福兔子的 0 和 1 的二进制数据转换为 DNA 中 4 种碱基的数据( A、T、C、G),进而将 DNA 片段封装在二氧化硅小球内(小球大小为 160 纳米),这些小球则被嵌入可生物降解的3D打印聚合物材料中,最后使用这些聚合物材料来进行兔子的 3D 打印。

如果你还是读不懂,下面我们来分步骤解读这项发表在《Nature》上的黑科技。

第一步:选择一个3D数据模型,这里研究人员使用的是斯坦福兔子( Stanford Bunny),做3D打印行业的熊友一定都打印过这个模型;
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以前,你应该是直接将斯坦福兔子 .stl格式的数据文件切片,然后导入FDM 3D打印机中打印出一只兔子模型。而《Natrue》文章的作者却在这个过程中“动起了手脚”。

第二步:将斯坦福兔子 .stl格式文件的二进制数据转换成 DNA中 4 种碱基的数据( A、T、C、G),然后从制造商订购DNA寡核苷酸。

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STL (STereoLithography, 立体光刻)是由3D Systems软件公司创立、原本用于立体光刻计算机辅助设计软件的文件格式。STL文件仅描述三维物体的表面几何形状,没有颜色、材质贴图属性。STL文件有ASCII和二进制两种格式。二进制型式因较简洁而较常见。

DNA数据是由四个字母组成的序列,每个字母代表生命的化学组成部分。对于数据存储,可以将这些字母(A,T,G和C)中的每个字母分配给一条信息(如二进制代码),并对其进行排序以记录一组复杂的数据。

第三步:通过PCR对DNA进行指数扩增,在50分钟内生成了10亿个文件;

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聚合酶链式反应(PCR)是一种用于放大扩增特定的DNA片段的分子生物学技术,它可看作是生物体外的特殊DNA复制,PCR的最大特点是能将微量的DNA大幅增加。因此,无论是化石中的古生物、历史人物的残骸,还是几十年前凶杀案中凶手所遗留的毛发、皮肤或血液,只要能分离出一丁点的DNA,就能用PCR加以放大,进行比对。

第四步:将DNA序列编码到寡核苷酸上,寡核苷酸是构成DNA的核酸合成链,然后封装在二氧化硅纳米颗粒中。

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第五步:将含DNA的纳米粒子与热塑性塑料混合,并使用桌面级的拉丝机挤成线材,用于3D打印。

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第六步:用挤好的线材在桌面型的FDM 3D打印机上打印出斯坦福兔子的模型。

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最终的结果就是,这只3D打印的兔子体内储存了自身数据的DNA编码,既然是储存那么能否读取这个数据呢?
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第七步:读取数据

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从斯坦福兔子的耳朵上取下一块塑料,并放到溶液中分解
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然后将溶液放到设备中检测,读取DNA文件
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结果是,成功的读取出耳朵上所存储的DNA编码数据。

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第八步:数据复制

研究人员从兔子耳朵处剪下 10 毫克的打印材料,这占兔子总重量 3.2 克的 0.3%,然后提取出其中的 DNA,扩增并测序。尽管有 5.9% 的原始寡核苷酸丢失以及存在测序误差,但研究人员采用 DNA 喷泉解码器完美解读了斯坦福兔子的数据。

进一步研究,由前一代扩增的 DNA 被封装到下一代中,研究人员连续创造出了 5 代兔子,且没有任何信息损失。即使第四代和第五代之间相隔了 9 个月,DNA 信息一直保持高保真性和稳定性。



△完整介绍视频


第九步:扩展研究

在进一步的实验中,该团队证明了能够在有机玻璃眼镜镜片中的DNA上存储1.4 MB视频的能力。


自从 1950 年代 DNA 双螺旋结构被发现以来,科学家就萌生了用 DNA 的 4 种碱基来存储数据的想法。哈佛大学的 George Church 教授团队于 2012 年将一本 Church 著作的图书数据(659kB)存储在了 DNA 中,他们采用了二对一的对应关系,其中二进制的“0”用腺嘌呤或胞嘧啶表示,而二进制的“1”则用鸟嘌呤或胸腺嘧啶代表。

2017 年,Yaniv Erlich 等人在《科学》杂志上报告说,他们将 6 个文件存入了 DNA 中,这 6 个文件包括一个完整的计算机操作系统、一种计算机病毒、一部法国电影,和由信息论创始人、美国数学家香农(Claude Shannon)在 1948 年进行的一项研究。

在《科学》杂志的这项研究中,作者Yaniv Erlich 正是采用了斯坦福兔子研究中用到的 DNA 喷泉编码技术,即将 DNA 片段随机打包为“水滴”来储存,这些水滴中添加了额外的标签以便以后能够重新组装。该技术具有独立随机性,且编译码复杂程度低,有容错纠错机制,能高概率恢复存储信息。


论文链接:A DNA-of-things storage architecture to create materials with embedded memory

资料来源:3dprintingindustry、DeepTech深科技


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