プラスチック製のウサギたちが​​独自のDNAデータストレージを搭載。次は世界？

ヤニフ・エルリッヒさんはこの9ヶ月間、小さな白いプラスチックのウサギをどこへ行くにも持ち歩いている。イスラエルに拠点を置くDNA検査会社MyHeritageでの仕事、科学会議、空港、そして国境を越えて。キンカンほどの大きさのこのウサギは、可愛らしいかもしれないが、おもちゃでもお守りでもない。しかし、もしこのウサギの足を切り落とすと、奇跡が起こるかもしれない。DNAシーケンサーと3Dプリンターがあれば、その足から同じウサギをもっと作ることができるのだ。

説明させてください。DNAは自然界の情報記憶媒体です。同じ分子をある構成で並べるとバナナになり、異なる順序で並べると720の性別を持つ粘菌になります。しかし、これは単なるコードです。つまり、他のものもそこに保存できるということです。エルリッヒ氏を含む科学者たちは、しばらく前からこれに取り組んできました。複数の企業もDNAデータストレージを追求しています。しかし、DNAが非常に小さく情報密度が高いため、日常の物品の構造に織り込むことができるという事実をまだ誰も利用していませんでした。エルリッヒ氏によると、そうすれば「モノのDNA」を作り始めることができるようになります。これは、電波で互いに通信する能力によってではなく、ガジェット自体の材料に注入された情報によってスマートになるガジェットのコレクションです。

そこでウサギが登場します。

このウサギは、スイス、エルリッヒの共同研究者であるチューリッヒ工科大学（ETH）のロバート・グラスの研究室で3Dプリントされました。この人形のポリマーマトリックスには、数兆個もの微細なガラスビーズが埋め込まれており、それぞれのビーズには数十分子の合成DNAが封入されています。このDNAには、ウサギ自身のデジタル設計図がエンコードされています。3Dプリンターのノズルに、4本の足、2つの耳、そしてワタリの尻尾を作るために、ノズルをどこに動かし、いつ絞るべきかを指示する指示です。ウサギには、その輪郭を記述するデータファイルが3億7000万個も含まれています。このデータファイルは、世界中のコンピューターグラフィックスや工業デザインに携わる人々にはよく知られています。

この設計図は1993年の春にまで遡ります。スタンフォード・グラフィックス・ラボのポスドクが買い物から帰ってきた時、テラコッタのウサギを持ってきました。彼はラボのレーザースキャナーと初歩的な画像合成ソフトウェアを使い、この粘土像のコンピューター版を制作しました。後に「スタンフォード・バニー」として知られるようになったこの像は、3Dオブジェクトのデジタル表現として最初の例の一つとなりました。

ウサギは、一世代のコンピュータグラフィックスデザイナーたちの訓練の場となりました。彼らはウサギの曲線にテクスチャを重ね、毛皮をレンダリングする方法を学びました。ウサギは砕かれ、砕かれ、溶かされ、アニメーション技術の向上に役立てられました。ウサギはあまりにも象徴的な存在となり、今日に至るまで、3Dプリンターの使い方を学ぶほとんどの人は、同じウサギのプラスチックバージョンを作ることから始めます。

つまり、ある意味、エルリッヒのウサギは究極の内輪ネタと言えるだろう。「それに、帽子からウサギを出すって言うじゃないですか」と彼は言う。計算生物学者であり、ホワイトハットハッカーでもあるエルリッヒは、2000年代半ば、巧妙に設置された携帯電話を使ってイスラエルの大手銀行に侵入したことで悪名を馳せた。数年後には、インターネット接続のみを使って、匿名の遺伝子データベースに登録されている人々の身元を暴き出した。そして昨年、彼はそうしたデータベースが巨大化し、今では米国人口の半分以上、さらにはDNA検査を受けたことのない人々でさえも見つけられるようになったことを明らかにした。

DNAを注入したオブジェのアイデアは、グラフィックデザイナーである義理の弟と初めて出会った。二人は、写真――額縁やアルバムに飾るような実物の写真――をいかにして時を経ても色褪せないようにするかについて話し合っていた。そこで彼は、JPEGファイルをDNAに変換し、写真自体にスプレーすれば、デジタル複製の可能性が生まれるかもしれない、と考えた。

しかし、DNAは壊れやすい分子です。高温、激しいpH変化、紫外線などによって劣化し、エンコードされた情報が劣化してしまいます。DNAの化学構造を維持することが、DNAデータストレージの夢を実現する鍵となります。

エルリッヒは、DNA分子を小さな保護ガラスの殻の中に閉じ込める方法を開発したグラスにメールを送った。2013年、彼は正電荷を帯びたシリカ粒子を作り出し、それを負電荷を帯びたDNAに付着させる方法を考案していた。この粒子は薄い膜を形成し、DNAを様々な脅威から守るのだ。

この技術を用いて、二人は、まるで体内の細胞のように、独自のDNAメモリを持つ材料を製造するプロセスを設計しました。まず、物体のデジタル設計図を遺伝子配列に変換し、対応するDNA分子を生成し、それをシリカで包み、ビーズを溶かしたプラスチックに埋め込み、そのプラスチックを紡糸してフィラメントを作り、そのフィラメントを3Dプリンターに装填して物体を印刷するという手順です。実に簡単です！二人はこの研究成果を、本日発行のNature Biotechnology誌で発表しています。

自分の体から細胞をいくつか採取してクローンとして自分のコピーを作ることが理論的に可能であるのと同じように、エルリッヒのウサギから小さな部分を切り取って、それを使って別のウサギを作ることもできる。彼が持ち歩いているのは、実は第3世代のクローンだ。グラスのチームが3Dプリントに使ったデータファイルは、最初に作ったウサギの耳の小さな部分から採取したウサギの耳の小さな部分から取り出したものだ。彼らは耳の断片からプラスチックとガラスを溶かし、残ったDNAをデジタルファイルに戻し、そのファイルを3Dプリンターにアップロードした。科学者たちは全部で5世代のウサギを作ったが、製造サイクル間での情報の損失はなかった。ウサギと、それを記述するデジタルファイルは、何ヶ月もの間、同一の状態を保っていた。

「これは、DNAデータストレージの最も有望な応用の一つであるユビキタスストレージへの、ごく初期の試みです」と、この研究には関わっていないUCLAの生化学者スリラム・コスリ氏は述べています。ユビキタスストレージがあれば、あらゆる日用品に、製造場所、原材料や組成、取​​扱説明書、安全に関する警告、最適なリサイクル方法や廃棄方法などの有用な情報をタグ付けできるようになります。「この研究の素晴らしい点は、それが今日でも実現可能であり、かなり信頼性が高いことを示していることです」とコスリ氏は言います。

確かに、実現可能だ。しかし、現実的かどうかは疑問だ。DNAシーケンサーや合成装置が安価になり、より普及するまでは。しかし、エルリッヒ氏は、ユビキタスシーケンシングによってDNAを認識する住宅を実現するという構想を提唱している。有害な病原体を検査する蛇口や、使用者の腸内細菌叢の健康状態を報告するトイレなどだ。DNAによって家電自体がスマートになるのはなぜだろうか？

「物質に直接情報を埋め込むことは、実は非常に有用なことだろう」と、分子情報システムの研究を主導し、米国国防高等研究計画局（DARPA）と共同でDNA画像検索エンジンの開発に携わったマイクロソフトのシニアサイエンティスト、カリン・ストラウス氏は語る。QRコードは消えてしまう。取扱説明書は消えてしまう。URLは変わる。物理的に物体に埋め込まれたDNAベースの情報は、より永続性をもたらす可能性がある。

しかし、埋め込まれたメッセージがどれほど耐久性があるかを確認するには、この技術を長期間、そして高温や強い放射線といった様々な環境条件下でテストする必要があります。研究者たちは、他の材料や製造プロセスも試す必要があるでしょう。

エルリッヒのチームは、追加の実験を行ったと報告している。1.4メガバイトの動画をプレキシガラス製の眼鏡に埋め込むというものだ。この実験は、より多くのデータを保存できるだけでなく、そうした情報を隠蔽する可能性も実証した。モノのDNAアーキテクチャは、機密ファイルを無害な物体にカモフラージュし、検知されることなくセキュリティを通過できる秘密のストレージデバイスに変えることができる。「この物体は普通の物体と全く同じように見えるので、情報を隠すのに非常に効果的です」とエルリッヒは言う。（空港の保安検査官と税関職員はまだ彼のウサギに気付いていない。）

化学エンジニアであるグラス氏は、この技術の最も差し迫った可能性は、製造した企業よりも長く生き続ける可能性のある長寿命の物体に情報を埋め込むことだと考えており、この技術を商業化できる新会社の設立を検討している。グラス氏が2016年に共同設立したスタートアップ企業、Haelixaは、複雑なサプライチェーンにおける製品追跡に役立つシリカで覆われたDNAバーコードを既に販売している。

一方、MyHeritageからの助成金や支援なしに研究を行ったエルリッヒ氏は、DNAの将来性を誇示するための小道具として、ウサギを連れ歩き続けるだろう。あるいは、エルリッヒ氏の描く未来では「ウサギのように繁殖する」ことが根本的に異なる意味を持つかもしれないと示唆するための、単なるきっかけなのかもしれない。結局のところ、どんなジョークにもオチは必要だ。

12-12-19 午後 1:00 (東部標準時): このストーリーは、Haelixa の設立年を修正するために更新されました。

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