W filmie „Park Jurajski” naukowcy wyodrębnili DNA zachowane w bursztynie przez miliony lat i wykorzystali je do stworzenia populacji dawno wymarłych dinozaurów.
Częściowo zainspirowani tym filmem badacze z MIT opracowali szklisty polimer przypominający bursztyn, który można wykorzystać do długotrwałego przechowywania DNA, zarówno całych ludzkich genomów, jak i plików cyfrowych, takich jak zdjęcia.
Większość obecnych metod przechowywania DNA wymaga ujemnych temperatur, w związku z czym zużywają one dużo energii i są niewykonalne w wielu częściach świata. Natomiast nowy polimer przypominający bursztyn może przechowywać DNA w temperaturze pokojowej, chroniąc cząsteczki przed uszkodzeniami spowodowanymi przez ciepło lub wodę.
Naukowcy wykazali, że można wykorzystać ten polimer do przechowywania sekwencji DNA kodujących motyw muzyczny z Parku Jurajskiego, a także całego ludzkiego genomu. Wykazali także, że DNA można łatwo usunąć z polimeru, nie uszkadzając go.
„Zamrażanie DNA to najlepszy sposób na jego zachowanie, jest jednak bardzo kosztowny i nie skalowalny” – mówi James Banal, były postdoc w MIT. „Myślę, że nasza nowa metoda konserwacji będzie technologią, która może wpłynąć na przyszłość przechowywania informacji cyfrowych w DNA”.
Banal i Jeremiah Johnson, profesor chemii A. Thomas Geurtin w MIT, są głównymi autorami badania opublikowanego w czasopiśmie Journal of the American Chemical Society. Głównymi autorami artykułu są była postdoktorka MIT Elizabeth Prince i postdoc Ho Fung Cheng z MIT.
Przechwytywanie DNA
DNA, bardzo stabilna cząsteczka, doskonale nadaje się do przechowywania ogromnych ilości informacji, w tym danych cyfrowych. Cyfrowe systemy przechowywania kodują tekst, zdjęcia i inne informacje w postaci serii zer i jedynek. Ta sama informacja może być zakodowana w DNA przy użyciu czterech nukleotydów tworzących kod genetyczny: A, T, G i C. Na przykład G i C mogą być użyte do reprezentowania 0, podczas gdy A i T reprezentują 1.
DNA umożliwia przechowywanie tych cyfrowych informacji z bardzo dużą gęstością: teoretycznie kubek kawy pełen DNA mógłby przechowywać wszystkie dane z całego świata. DNA jest również bardzo stabilne i stosunkowo łatwe w syntezie i sekwencjonowaniu.
W 2021 roku Banal i jego doradca podoktorski Mark Bathe, profesor inżynierii biologicznej na MIT, opracowali sposób przechowywania DNA w cząsteczkach krzemionki, które można oznaczyć znacznikami ujawniającymi zawartość cząstek. Prace te doprowadziły do powstania spółki o nazwie Cache DNA.
Wadą tego systemu przechowywania jest to, że osadzenie DNA w cząsteczkach krzemionki zajmuje kilka dni. Ponadto do usunięcia DNA z cząstek potrzebny jest kwas fluorowodorowy, który może być niebezpieczny dla pracowników mających kontakt z DNA.
Aby opracować alternatywne materiały do przechowywania, Banal rozpoczął współpracę z Johnsonem i członkami jego laboratorium. Ich pomysł polegał na zastosowaniu rodzaju polimeru znanego jako degradowalny termoutwardzalny, który składa się z polimerów, które po podgrzaniu tworzą substancję stałą. Materiał zawiera również rozrywalne ogniwa, które można łatwo złamać, co pozwala na kontrolowaną degradację polimeru.
„Dzięki tym ulegającym rozkładowi materiałom termoutwardzalnym, w zależności od tego, jakie wiązania rozszczepialne w nich utworzymy, możemy wybrać sposób ich degradacji” – mówi Johnson.
Na potrzeby tego projektu naukowcy postanowili wytworzyć termoutwardzalny polimer ze styrenu i środka sieciującego, które razem tworzą termoutwardzalny materiał przypominający bursztyn, zwany usieciowanym polistyrenem. Ten materiał termoutwardzalny jest również bardzo hydrofobowy, dzięki czemu może zapobiegać przedostawaniu się wilgoci i uszkodzeniu DNA. Aby termoutwardzalny ulegał degradacji, monomery styrenu i środki sieciujące są kopolimeryzowane z monomerami zwanymi tionolaktonemi. Połączenia te można przerwać, traktując je cząsteczką zwaną cysteaminą.
Ponieważ styren jest tak hydrofobowy, naukowcy musieli znaleźć sposób na zwabienie DNA – hydrofilowej, ujemnie naładowanej cząsteczki – do styrenu.
Aby tego dokonać, zidentyfikowali kombinację trzech monomerów, które mogliby przekształcić w polimery rozpuszczające DNA, ułatwiając mu interakcję ze styrenem. Każdy z monomerów ma inne cechy, które współdziałają przy przenoszeniu DNA z wody do styrenu. Tam DNA tworzy kuliste kompleksy, z naładowanym DNA w środku i grupami hydrofobowymi tworzącymi zewnętrzną warstwę oddziałującą ze styrenem. Po podgrzaniu roztwór ten staje się stałym, przypominającym szkło blokiem, osadzonym w kompleksach DNA.
Naukowcy nazwali swoją metodę T-REX (Thermoset-REinforced Xeropreservation). Naukowcy twierdzą, że proces osadzania DNA w sieci polimerowej zajmuje kilka godzin, ale w przypadku dalszej optymalizacji może on ulec skróceniu.
Aby uwolnić DNA, naukowcy najpierw dodają cysteaminę, która rozrywa wiązania spajające termoutwardzalny polistyren, rozbijając go na mniejsze kawałki. Następnie można dodać detergent o nazwie SDS, aby usunąć DNA z polistyrenu bez jego uszkodzenia.
Przechowywanie informacji
Wykorzystując te polimery, naukowcy wykazali, że mogą zawierać DNA o różnej długości, od kilkudziesięciu nukleotydów po cały ludzki genom (ponad 50 000 par zasad). Udało im się przechowywać DNA kodujące Proklamację Wyzwolenia i logo MIT, a także motyw muzyczny z „Parku Jurajskiego”.
Po zapisaniu, a następnie usunięciu DNA naukowcy zsekwencjonowali je i odkryli, że nie pojawiły się żadne błędy, co jest kluczową cechą każdego cyfrowego systemu przechowywania danych.
Naukowcy wykazali również, że termoutwardzalny polimer może chronić DNA przed temperaturami do 75 stopni Celsjusza (167 stopni Fahrenheita). Obecnie pracują nad sposobami usprawnienia procesu wytwarzania polimerów i formowania z nich kapsułek do długotrwałego przechowywania.
Cache DNA, firma założona przez Banala i Bathe, której Johnson jest członkiem naukowej rady doradczej, pracuje obecnie nad dalszym rozwojem technologii przechowywania DNA. Najwcześniejszym przewidywanym zastosowaniem jest przechowywanie genomów na potrzeby medycyny spersonalizowanej. Przewidują również, że te przechowywane genomy można będzie poddać dalszej analizie w miarę opracowania lepszej technologii w przyszłości.
„Chodzi o to, dlaczego nie zachowamy na zawsze głównego zapisu życia?” Banał mówi. „Za dziesięć lub 20 lat, kiedy technologia rozwinie się znacznie bardziej, niż moglibyśmy sobie dzisiaj wyobrazić, będziemy mogli dowiedzieć się coraz więcej rzeczy. Wciąż jesteśmy w powijakach, jeśli chodzi o zrozumienie genomu i jego związku z chorobami”.
Badania sfinansowała Narodowa Fundacja Nauki.