In den letzten neun Monaten hat Yaniv Erlich ein kleines weißes Plastikkaninchen überall hin mitgenommen, um bei der in Israel ansässigen DNA-Testfirma MyHeritage, auf wissenschaftlichen Konferenzen, über Flughäfen und über internationale Grenzen hinweg zu arbeiten. Das kumquatgroße Häschen, so süß es auch sein mag, ist weder ein Spielzeug noch ein Glücksbringer. Aber wenn Sie ihm den Fuß abschneiden, kann etwas Wunderbares passieren. Aus diesem abgetrennten Teil könnten Sie weitere Kaninchen herstellen, vorausgesetzt, Sie hätten einen DNA-Sequenzer und einen 3D-Drucker.
Lassen Sie mich das erklären. DNA ist das Informationsspeichermedium der Natur - die gleichen Moleküle in einer Konfiguration bilden eine Banane, die in einer anderen Reihenfolge angeordnet sind und eine Schleimpilzform mit 720 Geschlechtern bilden. Aber es ist nur Code. Das heißt, Sie können auch andere Dinge darin speichern. Wissenschaftler, darunter auch Erlich, tun dies bereits seit einiger Zeit. Auch mehrere Unternehmen betreiben DNA-Datenspeicherung. Aber noch niemand hat die Tatsache ausgenutzt, dass DNA so klein und informationsreich ist, dass sie in den Stoff alltäglicher Gegenstände eingewebt werden kann. Wenn Sie das tun, sagt Erlich, können Sie damit beginnen, eine „DNA der Dinge“zu erstellen, eine Sammlung von Geräten, die nicht durch ihre Fähigkeit, über Funkwellen miteinander zu sprechen, sondern durch die Informationen, die in das Material der Geräte selbst eingeflossen sind, intelligent gemacht wurden.
Hier kommt der Hase ins Spiel.
Es wurde in der Schweiz im Labor von Erlichs ETH-Mitarbeiter Robert Grass in 3D gedruckt. In die Polymermatrix der Figur sind Billionen mikroskopischer Glasperlen eingebettet, von denen jede ein paar Dutzend Moleküle synthetischer DNA einschließt. In diese DNA ist die digitale Blaupause für das Häschen selbst kodiert, die Anweisungen, die einer 3D-Druckerdüse mitteilen, wohin sie sich bewegen und wann sie drücken muss, um ihre vier Pfoten, zwei Ohren und den Waldkaninchen herzustellen. Insgesamt enthält der Hase 370 Millionen Exemplare der Datendatei, die seine Konturen beschreibt. Diese Datendatei ist Computergrafik- und Industriedesign-Nerds auf der ganzen Welt bekannt.
Dieser Entwurf stammt aus dem Frühjahr 1993, als ein Post-Doc des Stanford Graphics Lab mit einem Terrakottakaninchen von einem Einkaufsbummel zurückkehrte. Mit den Laserscannern und der rudimentären Bildstichsoftware des Labors baute er eine computergestützte Version der Tonstatue. Der Stanford Bunny, wie er bekannt wurde, war eine der ersten digitalen Darstellungen eines 3D-Objekts.
Der Hase wurde zu einem Übungsplatz für eine Generation von Computergrafikdesignern. Sie lernten, Texturen zu schichten und Pelz über die Leporinkurven zu rendern. Es wurde zertrümmert und zerbrochen und geschmolzen, um ihre Animationsfähigkeiten zu verbessern. Es wurde so ikonisch, dass bis heute fast jeder, der den Umgang mit einem 3D-Drucker lernt, zunächst eine Plastikversion desselben Kaninchens herstellt.
In gewisser Weise ist Erlichs Hase der ultimative Insider-Witz. „Außerdem ziehst du Kaninchen aus dem Hut“, sagt er. Erlich, ein rechnergestützter Biologe-Hacker mit weißen Hüten, wurde Mitte der 2000er Jahre dafür bekannt, dass er mit einem gut platzierten Handy in eine große israelische Bank eingebrochen war. Einige Jahre später entlarvte er die Identität von Personen, die in einer anonymen genetischen Datenbank aufgelistet waren, nur über eine Internetverbindung. Dann, im letzten Jahr, zeigte er, dass solche Datenbanken so groß geworden sind, dass es jetzt möglich ist, mehr als die Hälfte der US-Bevölkerung zu finden, sogar Leute, die noch nie einen DNA-Test gemacht haben.
Die Idee für DNA-infundierte Objekte entwickelte er zunächst bei seinem Schwager, einem Grafikdesigner. Sie sprachen darüber, wie man Fotos macht - echte, wie man sie in Rahmen und Alben einsetzt -, die sich mit der Zeit halten. Es brachte ihn zum Nachdenken: Vielleicht wäre es möglich, eine JPEG-Datei in DNA umzuwandeln und auf das Foto selbst zu sprühen, ein letzter Schritt, um es digital zu reproduzieren.
Aber DNA ist ein zerbrechliches Molekül. Hohe Temperaturen, starke pH-Schwankungen und UV-Licht führen zu einer Verschlechterung und einer Verschlechterung der codierten Informationen. Der Erhalt seiner chemischen Struktur ist der Schlüssel zu den Träumen von DNA-Datenspeichern.
Erlich schickte eine E-Mail an Grass, den Mann, der eine Methode entwickelt hatte, um DNA-Moleküle in einer winzigen Schutzglasschale einzufangen. 2013 hatte er herausgefunden, wie Siliziumdioxidpartikel mit einer positiven elektrischen Ladung erzeugt werden können, sodass sie an negativ geladener DNA haften. Sie würden einen dünnen Film bilden, der das Molekül vor einer Reihe von Bedrohungen schützen könnte.
Mit dieser Technologie entwickelte das Paar ein Verfahren zur Herstellung von Materialien mit eigenem DNA-Gedächtnis, genau wie die Zellen in Ihrem eigenen Körper. Es geht zunächst darum, den digitalen Entwurf eines Objekts in eine genetische Sequenz umzuwandeln, die entsprechenden DNA-Moleküle zu produzieren, sie in Silica einzuschließen, die Perlen in geschmolzenen Kunststoff einzubetten, diesen Kunststoff in Filamente zu spinnen, diese Filamente in einen 3D-Drucker zu laden und dann zu drucken das Objekt. Einfach! Sie beschreiben die Arbeit in der heutigen Ausgabe von Nature Biotechnology.
So wie es theoretisch möglich ist, ein paar Zellen aus Ihrem Körper zu entnehmen und eine weitere Kopie von Ihnen als Klon anzufertigen, können Sie ein kleines Stück von Erlichs Kaninchen abschneiden und daraus andere machen. Der, den er mit sich herumträgt, ist ein Klon der dritten Generation. Die Datendatei, die Grass 'Team für den 3D-Druck verwendete, wurde aus einem winzigen Stück Ohr eines Häschens entnommen, das aus einem winzigen Stück Ohr des ersten von ihnen hergestellten Häschens stammte. Sie lösten Plastik und Glas vom Ohrfragment, wandelten die verbleibende DNA wieder in eine digitale Datei um und luden die Datei auf einen 3D-Drucker hoch. Insgesamt stellten die Wissenschaftler fünf Generationen von Hasen ohne Informationsverlust zwischen den Herstellungszyklen her. Die Hasen und die digitalen Dateien, die sie beschrieben, blieben über viele Monate hinweg identisch.
„Dies ist ein erster Versuch, eine der vielversprechenderen Anwendungen der DNA-Datenspeicherung zu untersuchen: die allgegenwärtige Speicherung“, sagt Sriram Kosuri, Biochemiker an der UCLA, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Durch die allgegenwärtige Aufbewahrung können alle Alltagsgegenstände mit nützlichen Informationen wie Herstellungsort, Inhaltsstoffen oder Zusammensetzung, Bedienungsanleitungen, Sicherheitshinweisen und Empfehlungen für die optimale Wiederverwertung oder Entsorgung gekennzeichnet werden. "Das Coole an dieser Arbeit ist, dass sie heute machbar ist und ziemlich zuverlässig zu sein scheint", sagt Kosuri.
Sicher, es ist machbar. Aber praktisch? Noch nicht - erst, wenn DNA-Sequenzierer und -Synthesizer billiger und alltäglicher werden. Das erschreckt Erlich nicht, der die Idee einer allgegenwärtigen Sequenzierung eingeläutet hat, die ein DNA-sensibles Zuhause ermöglicht - Wasserhähne, die auf schädliche Krankheitserreger testen, und Toiletten, die über die Gesundheit des Darmmikrobioms ihrer Benutzer berichten. Warum nicht Geräte, die selbst durch DNA schlauer gemacht werden?
"Das direkte Einbetten von Informationen in Materialien wäre eine wirklich nützliche Sache", sagt Microsoft-Senior-Wissenschaftlerin Karin Strauss, die die Forschung zu molekularen Informationssystemen leitet und in Zusammenarbeit mit Darpa eine Bildsuchmaschine aus DNA entwickelt hat. QR-Codes können sich abnutzen. Bedienungsanleitungen verschwinden. URLs ändern sich. DNA-basierte Informationen, die physisch in ein Objekt eingebaut sind, bieten möglicherweise mehr Beständigkeit.
Die Technologie muss jedoch noch über einen längeren Zeitraum und unter verschiedenen Umgebungsbedingungen wie hoher Hitze und intensiver Strahlung getestet werden, um festzustellen, wie gut die eingebetteten Nachrichten halten. Die Forscher müssen auch andere Materialien und Herstellungsverfahren ausprobieren.
Erlichs Team berichtete über ein zusätzliches Experiment - das Einbetten eines 1, 4-Megabyte-Videos in eine Plexiglas-Brille. Es zeigte nicht nur die Fähigkeit, mehr Daten zu speichern, sondern auch das Potenzial, solche Informationen zu verbergen. Eine DNA-of-Things-Architektur könnte sensible Dateien in harmlosen Objekten tarnen und sie in geheime Speichergeräte verwandeln, die die Sicherheit ohne Entdeckung passieren können. „Das Objekt sieht genauso aus wie ein gewöhnliches Objekt, sodass Informationen auf sehr effektive Weise ausgeblendet werden können“, sagt Erlich. (Sicherheits- und Zollbeamte des Flughafens müssen sein Kaninchen noch markieren.)
Grass, ein Chemieingenieur, sieht das unmittelbarste Versprechen der Technologie in der Einbettung von Informationen in langlebige Objekte, die das Unternehmen, das sie hergestellt hat, überdauern könnten, und denkt darüber nach, ein neues Unternehmen zu gründen, das diese Technologie kommerzialisieren könnte. Haelixa, ein Start-up, das er 2016 mitbegründet hat, verkauft bereits mit Silica umhüllte DNA-Barcodes, mit denen sich Produkte in verschlungenen Lieferketten nachverfolgen lassen.
