嵌入有DNA的塑料兔子
凤凰网科技讯 北京时间12月10日消息，科学家在一只利用3D打印技术制成的“兔子”中注入了遗传材料，向可能的“DNA物品”时代迈出了第一步。在“DNA物品”时代，生物技术会让电子产品更智能。
过去9个月，无论去哪里——参加学术会议、去机场和穿越国境线，在以色列基因测序公司MyHeritage上班的雅尼夫·埃利希(Yaniv Erlich)都会随身携带着一只白色的小塑料兔子。尽管看起来很可爱，这只金橘大小的塑料兔子并非是玩具或幸运符。不过，如果切断它的脚，这只小兔子的神奇之处就展现出来了。利用切断处的遗传物质，任何人都可以制造更多与它一模一样的兔子——当然，前提是需要有DNA测序仪和3D打印机。
这是怎么回事呢?其实很简单。DNA是自然界中的遗传信息存储介质，是一种双螺旋结构的生物大分子。但DNA也是一种编码，这意味着我们可以利用它存储其他信息。包括埃利希在内的科学家，进行这方面的研究已经有一段时间。有多家公司都在开发DNA数据存储技术。但还没有一家公司利用DNA尺寸小和信息存储密度大的特性，将它“织入”日常物品结构中。埃利希表示，将DNA整合到物品中，将形成“DNA物品”，物品的智能将不仅仅来自它们通过无线电波相互通讯的能力，也来自在物品中注入的信息。
这就是埃利希制造这只兔子的原因。
这只塑料兔子是在埃利希在苏黎世联邦理工学院的合作者罗伯特·格拉斯(Robert Grass)的实验室中利用3D打印技术制造的，身体内嵌入了数以万亿计的微型玻璃珠，每个玻璃珠包含有数十个合成DNA分子。这些DNA分子存储有制造这只兔子所需要的数字化图纸，可以给3D打印机下达指令：喷头移动到哪里，何时喷出打印材料生成兔子的四只爪子、两只耳朵和尾巴。这只兔子包含有3.7亿份描述其轮廓的数字文件。
从3D打印兔子耳朵上切掉一小块碎片，就能复制出完全一模一样的兔子
3D打印技术最早可以追溯到1993年春天，当时，斯坦福大学图形实验室一名博士后工作人员出去购物时带回一只陶土材质的兔子。利用实验室的激光扫描仪和相当原始的图像拼接软件，他生成了陶土兔子的电脑化版本。被称作“斯坦福大学兔子”的这个图形文件，是首批3D物体的数字化表示之一。
它成为一代计算机图形设计师的训练场。他们利用它学习如何对纹理分层、渲染兔毛。为了提高计算机图形设计师创作动画的能力，它“遭受了数不清的摧残”。现在，兔子已经成为学习3D打印课程的标配，几乎每个学习使用3D打印机的人的第一件作品，都是一只塑料兔子。
作为一名计算生物学家、白帽骇客，埃利希在2000年代中期曾“臭名远扬”：利用一部精心放置的手机攻破以色列一家大银行。数年后，只利用互联网连接，他泄露了一个匿名基因数据库中用户的身份。去年他表示，这类数据库规模已经相当大，其中包含有逾半数美国人口的信息，甚至是从来没有测试过DNA的人。
埃利希与其内弟(一名图形设计师)首先想到在物体中注入DNA的想法。他们当时谈论的话题是：如何使照片——能挂在相框或放在相册中的纸质相机——不会因时间流逝而损毁。他想到：将JPEG格式文件编码成DNA并喷在照片上或许是可行的，这将使照片能通过数字化技术进行复制。
DNA测序
但是，DNA是一种很脆弱的分子。高温、酸碱性发生大的变动和紫外线，都会导致其性能下降，从而破坏其中的编码信息。对于任何利用DNA存储数据的想法而言，保留其化学结构都是关键。
埃利希通过电子邮件与格拉斯讨论了自己的想法。格拉斯开创了一种将DNA分子包进微型保护性玻璃外壳的方法。2013年，格拉斯就设计了生成带正电荷的二氧化硅颗粒的工艺，这使它们能与带负电荷的DNA密切结合。二氧化硅颗粒可以形成一层薄膜，保护DNA分子免受许多威胁。
利用这一技术，它们设计了一种工艺，利用材料本身的DNA记忆生产材料——就像我们身体中的细胞那样。整个工艺包括将物体的数字化蓝图转换成基因序列，生成相应的DNA分子，把它们包裹在二氧化硅中，把二氧化硅微粒嵌入在熔化的塑料中，把塑料“纺成”细丝，把塑料细丝加入到3D打印机中，然后打印物体。他们的这一成果发表在今天出版的《自然·生物技术》上。
就像从理论上可以利用数个体细胞克隆人一样，我们可以从埃利希的兔子身上剪一小片碎片，用它来生成另一只兔子。实际上，他随身携带的那只兔子，其实是第三代克隆产品。利用从兔子耳朵上取下的一小块碎片，就可以获得格拉斯团队用来3D打印兔子的数据文件。他们溶解掉碎片中的塑料和玻璃，将保留的DNA转换为数字文件，然后并将文件上传到3D打印机。科学家一共生成了五代兔子，中间没有出现任何信息丢失现象。虽然中间经历了相当长时间，“历代”兔子和描述它们的数字文件，仍然完全相同。
美国加州大学洛杉矶分校生物化学专家苏里拉姆·科苏里(Sriram Kosuri)表示，“这是更有前景的DNA数据存储技术应用途径之一——普遍存储的初级应用。”利用普遍存储技术，所有的日常物品都可以存储有用的信息，例如生产地点、其配料或成分、使用手册、安全提示，以及回收或处置建议。科苏里指出，“他们两人开发的工艺的有趣之处是，展示普遍存储技术的可行性和可靠性。”
埃利希、格拉斯开发的工艺确实是可行的，但它实用吗?至少在DNA测序仪和合成仪的价格更便宜、更普及之前，这一问题的答案是否定的。但埃利希并没有因此退缩，他预言说，测序技术的普及将使具有DNA感知能力的水龙头能检测水中的有害物质，马桶能报告用户的身体健康信息。
利用DNA开发的图像搜索引擎
微软资深科学家卡琳·斯特劳斯(Karin Strauss)表示，“直接将信息嵌入材料中将是一项真正有用的技术。”二维码将彻底消失，用户手册不再有存在的必要。嵌有基于DNA的信息的物体，可以提供更高的性能。斯特劳斯负责分子信息系统的研究工作，并与美国国防部高级研究计划局合作，利用DNA开发图像搜索引擎。
这一技术仍然需要在各种环境中——例如高温和强辐射——接受长时间测试，了解信息的保存时间。研究人员还需要尝试其他材料和生产工艺。
埃利希的团队还在进行另外一项实验，在眼镜的有机玻璃镜片中存储一段1.4 MB大小的视频。它演示的不仅是这种技术存储更多数据的能力，也演示了它用来“隐藏”信息的潜力。“DNA物品”设计可以把敏感文件藏在看似正常的物体中，使正常的物体变身为可以躲避安全检查的秘密存储设备。埃利希说，“这些物体看起来与普通物体无异，因此，这一技术是隐藏信息的一个非常有效的方法。”
格拉斯认为这一技术最直接的应用，是将信息嵌入在“长寿”物体中——它们的寿命可能会超过产生它们的公司，正在考虑成立一家新公司，将这一技术商业化。他在2012年与他人联合创办的Haelixa，已经在销售二氧化硅封装的DNA二维码——帮助跟踪通过复杂供应链的产品。(作者/霜叶)