В 3D-печатном кролике спрятали ДНК с инструкциями по его печати
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 мы 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.
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.
Ранее ученые под руководством Роберта Грасса записывали в ДНК и другую информацию. Например, в прошлом году вместе с группой Massive Attack они перевыпустили альбом «Mezzanine», записав его в ДНК. Подробнее об этом можно узнать из нашего блога «Нуклеиновая музыка и не только».
Григорий Копиев
Она работает на очень низком напряжении, безопасном для человека
Американские ученые создали искусственную кожу, которая может превращать ощущения в электрические сигналы и передавать их в мозг. Кожа эластичная и работает на низком напряжении, что делает ее безопасной и устойчивой к растяжениям. Электрическую кожу протестировали на крысах, но ученые надеются в будущем добавить ее в протезы для людей. Работа опубликована в журнале Science. У настоящей кожи есть несколько функций. Помимо того, что она защищает организм от внешней среды, кожа чувствует температуру, вибрацию, прикосновения и другие ощущения, без чего сложно взаимодействовать с окружающим миром. Поэтому людям часто сложно пользоваться протезами: они не всегда хорошо передают ощущения. Ученые давно пытаются сделать протезы более чувствительными, в том числе с помощью искусственной кожи, передающей электрические сигналы с помощью сенсоров и транзисторов. Обычная кожа легко растягивается и сжимается, при этом полностью сохраняя чувствительность. В идеале искусственная кожа должна быть такой же, но обычно она состоит из комбинации жестких и мягких элементов. Группе ученых из Стэнфордского университета под руководством Бао Чжэнань (Bao Zhenan) удалось разработать полностью мягкую и эластичную искусственную кожу, которая передает электрические сигналы и работает на низком напряжении в 5 вольт, безопасном для человеческого тела (как правило, транзисторы в искусственной коже работают на электрическом напряжении в 30-100 вольт). Понизить напряжение удалось за счет повышения подвижности носителей заряда в 30 раз. Такие электрические свойства обеспечил сложный состав новой искусственной кожи. Она состоит из трех слоев материалов, один из которых — синтетический каучук. Его обычно используют для изготовления медицинских перчаток. Толщина всех трех слоев составила меньше микрона, поэтому к материалу для надежности прикрепили подложку. Вместе с ней искусственная кожа достигла толщины листа бумаги (25-30 микронов). Каждый слой кожи включает в себя миниатюрные сенсоры, которые распознают нажатия, температуру и растяжения. Транзисторы превращают сигналы от сенсоров в электрические импульсы с частотой до 42 герц и стабильной амплитудой. Также транзисторы меняют форму сигналов от сенсоров, чтобы сделать их более похожими на сигналы нейронов в головном мозге. Далее по искусственному синапсу электрические сигналы как раз отправляются в соматосенсорную кору мозга. Ученые проверили эффективность электрической искусственной кожи на крысах. Для этого они прикрепили кусок искусственной кожи к настоящей, а также создали два искусственных синапса: между искусственной кожей и соматосенсорной корой, и между моторной корой и седалищным нервом. Соматосенсорная кора воспринимает сигналы от органов чувств, а моторная кора подает команды мышцам. Ученые так стимулировали искусственную кожу, чтобы вызвать у крыс ответную реакцию в виде движения лап. Оказалось, что более сильные нажатия на искусственную кожу заставляли лапы крыс активнее подергиваться. В ответ на слабые нажатия крысы дергали лапами под углом 44 градуса, в ответ на самые сильные — 70 градусов. Это показало чувствительность искусственной кожи к стимулам разной интенсивности. Кусок искусственной кожи прикрепляли к настоящей на 30 часов, и за это время он не вызвал раздражения. В будущем ученые планируют интегрировать технологию в человеческие протезы, но сначала нужно сделать искусственную кожу беспроводной и разработать систему для взаимодействия мозга с разными частями тела с ее помощью. Тем временем нейрохирурги из Швейцарии, Великобритании, США и Франции сделали интерфейс для связи спинного и головного мозга. Пациент потерял способность ходить после неполной травмы спинного мозга, но с новым нейроинтерфейсом ему удалось на костылях ходить по дому, стоять и садиться в машину.