Швейцарские и израильские исследователи предложили на этапе производства внедрять в предметы ДНК с закодированными инструкциями по их производству. В качестве примера они напечатали на 3D-принтере модель кролика, закодировали в нем файл печати, а затем успешно восстановили его.

Статья опубликована в Nature Biotechnology.

Существует множество проектов, призванных сохранить ключевые элементы человеческой цивилизации на случай глобальной катастрофы. Например, на Шпицбергене с 2008 года существует защищенное хранилище семян основных сельскохозяйственных растений, а в 2020 году недалеко от него будет создано хранилище всего открытого кода программ, опубликованных на GitHub.

Кроме того, даже несмотря на отсутствие глобальных катастроф, люди часто сталкиваются с проблемой воссоздания технологий, применяемых несколько десятилетий назад. К примеру, существенная часть документации самой мощной ракеты в истории Saturn V была утеряна в первые десятилетия после окончания программы.

Группа ученых под руководством Роберта Грасса (Robert Grass) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Янива Эрлиха (Yaniv Erlich) из Erlich Lab предложила сохранять чертежи и другую документацию для воссоздания предметов и технологий прямо в них самих. В качестве носителя они выбрали ДНК, которая при некоторых условиях может обеспечивать крайне высокую плотность хранения информации, а также длительность в тысячи лет. Метод записи в ДНК разработан Эрлихом и коллегами, и основан на избыточном «фонтанном» кодировании, которое позволяет полностью восстановить информацию даже при потере существенной части материала. Подробнее о кодировании этим методом рассказывали в 2017 году.

Поскольку авторы применили подход с записью в ДНК к 3D-печати пластиком, они воспользовались разработанным ранее группой под руководством Грасса методом, позволяющим внедрять молекулы ДНК в аморфные кремниевые частицы, изолирующие ДНК от внешних воздействий. Кроме защиты это позволяет внедрять ДНК в филаменты для 3D-принтеров, имеющие разный состав, а также не влиять на свойства напечатанного объекта.

Схема метода / Julian Koch et al. / Nature Biotechnology, 2019

Исследователи экспериментально показали полный цикл кодирования и расшифровки информации на примере фигурки стенфордского кролика — стандартной 3D-модели, используемый в научных работах из разных областей. Создав STL-файл с 3D-моделью, они синтезировали 12 тысяч олигонуклеотидов (коротких фрагментов) ДНК с избыточностью в 5,2 раза. Это означает, что даже при потере 80 процентов олигонуклеотидов из оставшегося количества можно восстановить исходный файл.

После синтеза они внедрили ДНК в кремниевые сферы, смешали с поликапролактоном и сформировали из него филаментную нить для 3D-принтера. Затем исследователи напечатали модель кролика и отрезали от него небольшую часть для восстановления. На последнем этапе они смогли выделить из материала олигонуклеотиды и с помощью метода ПЦР полностью восстановить зашифрованный файл, несмотря на потерю 5,9 процента олигонуклеотидов.