С помощью «T-REX»-метода учёные разработали стекловидный, похожий на янтарь полимер, который можно использовать для длительного хранения ДНК, вроде полных геномов человека, или цифровые файлы, вроде фотографий.
В фильме «Парк юрского периода» учёные выделили ДНК, которая хранилась в янтаре в течение миллионов лет, и использовали её для создания популяции давно вымерших динозавров.
Отчасти вдохновлённые этим фильмом, исследователи из МТИ разработали стекловидный, похожий на янтарь полимер, который можно использовать для длительного хранения ДНК, либо полных геномов человека, либо цифровых файлов вроде фотографий.
Большинство текущих методов хранения ДНК требуют отрицательных температур, поэтому они потребляют большое количество энергии и неприменимы во многих частях света. Напротив, подобный янтарю полимер способен хранить ДНК при комнатной температуре, при этом защищая молекулы от повреждений, вызываемых теплом или водой.
Исследователи показали, что могут использовать этот полимер для хранения последовательностей ДНК, закодировав музыкальную тему из «Парка юрского периода», а также полный геном человека. Они также продемонстрировали, что ДНК можно с лёгкостью извлечь из полимера, не повредив её.
«Заморозка ДНК — первый способ сохранить её, но он очень затратен и не масштабируем, — говорит Джеймс Бейнал, бывший постдок МТИ. — Я думаю, наш новый метод консервирования может стать основной технологией хранения цифровой информации на ДНК в будущем».
Бейнал и Джеремайя Джонсон, профессор химии МТИ, являются старшими авторами исследования, опубликованного в «Журнале американского общества химиков». Бывшая постдок МТИ Элизабет Принс и постдок МТИ Хо Фун Чен — ведущие авторы работы.
Захват ДНК
ДНК, очень стабильная молекула, хорошо подходит для хранения огромных объёмов информации, включая цифровые данные. Цифровые системы хранения кодируют текст, фотографии и другие виды информации в виде нулей и единиц. Ту же самую информацию можно закодировать в ДНК, используя четыре нуклеотида, из которых состоит генетический код: A, T, G и C. Например, G и С можно использовать для обозначения нулей, а А и Т — единиц.
ДНК даёт способ хранения этой цифровой информации при очень высокой плотности: теоретически, полная кофейная кружка ДНК способна хранить все данные мира. Также ДНК очень стабильна и её с лёгкостью можно синтезировать и секвенировать.
В 2021 году Бейнал и его постдок-консультант, Марк Бейт, профессор биоинжиниринга МТИ, разработали способ хранения ДНК в частицах кремния, которым можно присваивать метки, указывающие на содержимое частиц. Это привело к созданию отдельного проекта, получившего название Cache DNA.
Один из недостатков этой системы хранения заключается в том, что для внедрения ДНК в частицы кремния требуется несколько дней. Более того, для удаления ДНК из частиц требуется плавиковая кислота, которая может быть опасна для персонала, работающего с ДНК.
Чтобы найти альтернативные материалы для хранения, Бейнал начал работать с Джонсоном и сотрудниками его лаборатории. Их идея заключалась в том, чтобы использовать тип полимеров, именуемый разлагаемыми термореактопластами, которые состоят из затвердевающих при нагревании полимеров. В материале также содержатся расщепляемые связи, которые легко разрушить, что позволяет контролируемо разлагать полимер.
«С такими разрушающимися термореактопластами, в зависимости от того, какие расщепляемые связи мы в них вводим, мы можем выбирать каким образом их разложить», — говорит Джонсон.
Для этого проекта исследователи решили создать термореактопластный полимер из стирола и сшиватель, которые вместе взятые образуют похожий на янтарь термореактопласт под названием сшитый полистирол. Этот термореактопласт также очень гидрофобен, поэтому он способен препятствовать проникновению внутрь влаги и повреждению ДНК. Чтобы термореактопласт стал разлагаемым, мономеры стирола и сшиватели сополимеризуются с мономерами под названием тионолактоны. Эти связи можно разрушить с помощью молекулы, именуемой цистеамином.
Поскольку стирол настолько гидрофобен, исследователям пришлось найти способ заманить ДНК, гидрофильную, отрицательно заряженную молекулу, в стирол.
Для этого они идентифицировали комбинацию из трёх мономеров, которые они могли обратить в полимеры, растворяющие ДНК, помогая ей взаимодействовать со стиролом. У всех этих мономеров разные характеристики, которые совместно способны вывести ДНК из воды и ввести её в стирол. При нагревании этот раствор становится твёрдым стеклообразным блоком, содержащим комплексы ДНК.
Исследователи окрестили свой метод «T-REX» (Thermoset-REinforced Xeropreservation). Процесс введения ДНК в полимерную сеть занимает несколько часов, но при дальнейшей оптимизации это время можно сократить, говорят исследователи.
Для высвобождения ДНК исследователи сначала вводят цистеамин, который расщепляет связи, скрепляющие полистироловый термореактопласт, разлагая его на мелкие кусочки. Затем можно добавить реагент SDS, чтобы удалить ДНК из полистирола, не повредив её.
Хранение информации
Используя эти полимеры, исследователи показали, что они способны инкапсулировать ДНК различной длины, от десятков нуклеотидов до полного генома человека (более 50 000 пар нуклеотидов). Они смогли сохранить ДНК с закодированным манифестом Линкольна об освобождении рабов, логотипом МТИ, в добавок к музыкальной теме из «Парка юрского периода».
После сохранения ДНК и последующего её извлечения, исследователи секвенировали её и обнаружили, что в ней отсутствуют ошибки, что является критической характеристикой любой системы хранения цифровых данных.
Исследователи также показали, что термореактопластный полимер способен защищать ДНК от температур до 75 градусов Цельсия. Также они работают над усовершенствованием процесса создания полимеров и превращения их в капсулы для длительного хранения.
Cache DNA, компания, созданная Бейналом и Бейтом, где Джонсон является членом научного совета, сейчас работает над дальнейшей разработкой технологии ДНК-хранения. Они предполагают, что в первую очередь она будет использована для хранения геномов для персонализированной медицины, и кроме того они ожидают, что эти сохранённые геномы можно будет лучше анализировать с разработкой усовершенствованной технологии в будущем.
«Идея такова — почему бы нам не сохранить главную запись жизни навсегда?» — говорит Бейнал. — Через десять-двадцать лет, когда технология разовьётся куда значительнее, чем мы сегодня в состоянии представить, мы сможем узнавать всё больше и больше. Мы всё ещё находимся в младенческом состоянии относительно понимания генома и того, как он связан с болезнью».
Исследование было профинансировано Национальным научным фондом.
Автор — Энн Трафтон.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК».
Материалы предоставлены Массачусеттским технологическим институтом.
Вам также может быть интересно:
