Вчені створили синтетичний бурштин для зберігання ДНК

За допомогою методу T-REX ДНК, вбудовану в полімер, можна використовувати для довготривалого зберігання геномів або цифрових даних, таких як фотографії та музика.

Новий полімер, розроблений дослідниками MIT, пропонує значний прогрес у зберіганні ДНК, забезпечуючи збереження при кімнатній температурі без витрат енергії, пов’язаних із традиційними методами заморожування. Ця технологія не тільки ефективно зберігає великі обсяги даних, але й забезпечує легкий пошук і непошкоджену ДНК, що робить її перспективним рішенням як для генетичних, так і для цифрових архівів.

Досягнення в технології збереження ДНК

У фільмі «Парк Юрського періоду» вчені витягли ДНК, яка зберігалася в бурштині мільйони років, і використали її для створення популяції давно вимерлих динозаврів. Частково надихнувшись цією плівкою, дослідники Массачусетського технологічного інституту розробили склоподібний полімер, схожий на бурштин, який можна використовувати для тривалого зберігання ДНК, хай то цілі геноми людини чи цифрові файли, наприклад фотографії.

Більшість сучасних методів зберігання ДНК вимагають низьких температур, тому вони споживають багато енергії та неможливі в багатьох частинах світу. Навпаки, новий бурштиновий полімер може зберігати ДНК при кімнатній температурі, захищаючи молекули від пошкоджень, спричинених теплом або водою.

Дослідники показали, що вони можуть використовувати цей полімер для зберігання послідовностей ДНК, що кодують музику з «Парку Юрського періоду», а також цілий геном людини. Вони також продемонстрували, що ДНК можна легко видалити з полімеру, не пошкоджуючи його.

Удосконалення методів збереження ДНК

«Заморожування ДНК — це спосіб номер один її збереження, але він дуже дорогий і не піддається масштабуванню», — каже Джеймс Банал, колишній постдоктор Массачусетського технологічного інституту. «Я думаю, що наш новий метод збереження стане технологією, яка може сприяти майбутньому зберігання цифрової інформації в ДНК».

Банал і Джеремія Джонсон, професор хімії А. Томаса Гертіна в Массачусетському технологічному інституті, є старшими авторами дослідження, опублікованого 12 червня в журналі Американського хімічного товариства. Колишній постдок Массачусетського технологічного інституту Елізабет Прінс і постдоктор Массачусетського технологічного інституту Хо Фунг Чен є провідними авторами статті.

Вивчення нових методів кодування ДНК

ДНК, дуже стабільна молекула, добре підходить для зберігання величезних обсягів інформації, включаючи цифрові дані. Цифрові системи зберігання кодують текст, фотографії та іншу інформацію у вигляді серії 0 і 1. Цю саму інформацію можна закодувати в ДНК за допомогою чотирьох нуклеотидів, які складають генетичний код: A, T, G і C. Наприклад, G і C можуть використовуватися для представлення 0, тоді як A і T представляють 1.

ДНК пропонує спосіб зберігання цієї цифрової інформації з дуже високою щільністю: теоретично чашка кави, повна ДНК, може зберігати всі дані світу. ДНК також дуже стабільна, її відносно легко синтезувати та секвенувати.

У 2021 році Банал і його постдокторант Марк Бат, професор біологічної інженерії Массачусетського технологічного інституту, розробили спосіб зберігання ДНК у частинках кремнезему, які можна позначати мітками, які розкривають вміст частинок. Ця робота призвела до спінауту під назвою Cache DNA. Одним із недоліків цієї системи зберігання є те, що вбудовування ДНК у частинки кремнезему займає кілька днів. Крім того, для видалення ДНК із частинок потрібна плавикова кислота, яка може бути небезпечною для працівників, які працюють з ДНК.

Інноваційний полімерний дизайн для зберігання ДНК

Щоб створити альтернативні матеріали для зберігання, Банал почав співпрацювати з Джонсоном та членами його лабораторії. Їхня ідея полягала у використанні типу полімеру, відомого як термореактивний, що розкладається, який складається з полімерів, які утворюють тверду речовину при нагріванні. Матеріал також містить розщеплювані ланки, які можна легко зламати, дозволяючи полімеру розкладатися контрольованим способом.

«Залежно від того, які розщеплювані зв’язки ми вставляємо в ці термореактивні пластини, ми можемо вибирати, як ми хочемо їх деградувати», — каже Джонсон.

Для цього проекту дослідники вирішили виготовити свій термореактивний полімер із стиролу та зшиваючого агента, які разом утворюють реактоподібний матеріал, схожий на бурштин, який називається зшитий полістирол. Цей термореактивний матеріал також дуже гідрофобний, тому він може запобігти потраплянню вологи та пошкодженню ДНК. Щоб термореактивний матеріал міг розкладатися, стирольні мономери та зшиваючі речовини кополімеризуються з мономерами, які називаються тіонолактонами. Ці зв’язки можна розірвати, обробивши їх молекулою під назвою цистеамін.