科学家将DNA保存在琥珀状聚合物中:该方法可用于长期存储基因组或数字数据

科学家将DNA保存在琥珀状聚合物中:该方法可用于长期存储基因组或数字数据

科学家将DNA保存在琥珀状聚合物中:该方法可用于长期存储基因组或数字数据。来源:uux.cn《美国化学学会杂志》(2024)。DOI:10.1021/jacs.4c01925

(神秘的地球uux.cn)据麻省理工学院(Anne Trafton):在电影《侏罗纪公园》中,科学家提取了在琥珀中保存了数千万年的DNA,并用它创造了一个早已灭绝的恐龙种群。

部分受这部电影的启发,麻省理工学院的研究人员开发了一种玻璃状琥珀状聚合物,可以用于长期存储DNA,无论是整个人类基因组还是照片等数字文件。

目前大多数储存DNA的方法都需要冷冻温度,因此消耗大量能量,在世界许多地方都不可行。相比之下,这种新的琥珀状聚合物可以在室温下储存DNA,同时保护分子免受热量或水造成的损伤。

研究人员表明,他们可以使用这种聚合物来存储编码侏罗纪公园主题音乐的DNA序列,以及整个人类基因组。他们还证明,DNA可以很容易地从聚合物中去除,而不会损坏聚合物。

前麻省理工学院博士后James Banal说:“冷冻DNA是保存它的首要方法,但它非常昂贵,而且不可扩展。”。“我认为我们的新保存方法将是一种可能推动未来在DNA上存储数字信息的技术。”

Banal和麻省理工学院A.Thomas Geurtin化学教授Jeremiah Johnson是这项研究的资深作者,该研究发表在《美国化学学会杂志》上。前麻省理工学院博士后Elizabeth Prince和麻省理工大学博士后Ho Fung Cheng是这篇论文的主要作者。

捕获DNA

DNA是一种非常稳定的分子,非常适合存储大量信息,包括数字数据。数字存储系统将文本、照片和其他类型的信息编码为一系列0和1。这种相同的信息可以使用组成遗传密码的四个核苷酸编码在DNA中:A、T、G和C。例如,G和C可以用来表示0,而A和T表示1。

DNA提供了一种以非常高的密度存储这些数字信息的方法:理论上,一个装满DNA的咖啡杯可以存储世界上所有的数据。DNA也非常稳定,并且相对容易合成和测序。

2021年,Banal和他的博士后顾问、麻省理工学院生物工程教授Mark Bathe开发了一种将DNA存储在二氧化硅颗粒中的方法,可以用标签标记,以显示颗粒的内容。这项工作产生了一个名为Cache DNA的衍生产品。

这种存储系统的一个缺点是,将DNA嵌入二氧化硅颗粒需要几天时间。此外,从颗粒中去除DNA需要氢氟酸,这对处理DNA的工人来说是危险的。

为了找到替代存储材料,Banal开始与Johnson和他的实验室成员合作。他们的想法是使用一种被称为可降解热固性聚合物的聚合物,这种聚合物由加热时形成固体的聚合物组成。该材料还包括易于断裂的可裂解链,从而使聚合物以可控的方式降解。

约翰逊说:“有了这些可解构的热固性材料,根据我们在其中加入的可裂解键,我们可以选择如何降解它们。”。

在这个项目中,研究人员决定用苯乙烯和交联剂制造热固性聚合物,它们共同形成一种琥珀色热固性聚合物,称为交联聚苯乙烯。这种热固性材料也非常疏水,因此可以防止水分进入并损坏DNA。为了使热固性材料可降解,苯乙烯单体和交联剂与称为硫代内酯的单体共聚。这些连接可以通过用一种名为半胱胺的分子处理来打破。

由于苯乙烯是如此疏水,研究人员不得不想出一种方法来引诱DNA——一种亲水的带负电的分子——进入苯乙烯中。

为了做到这一点,他们确定了三种单体的组合,它们可以通过帮助DNA与苯乙烯相互作用,将其转化为溶解DNA的聚合物。每种单体都有不同的特征,它们协同作用将DNA从水中转移到苯乙烯中。在那里,DNA形成球形复合物,带电荷的DNA在中心,疏水基团形成与苯乙烯相互作用的外层。当加热时,这种溶液变成一个固体的玻璃状块,嵌入DNA复合物。

研究人员将他们的方法命名为T-REX(热固性增强干细胞保护)。研究人员表示,将DNA嵌入聚合物网络的过程需要几个小时,但随着进一步优化,这一过程可能会缩短。

为了释放DNA,研究人员首先加入半胱胺,半胱胺会将聚苯乙烯热固性塑料连接在一起,将其分解成更小的碎片。然后,可以添加一种名为SDS的洗涤剂,在不损坏聚苯乙烯的情况下去除聚苯乙烯中的DNA。

存储信息

使用这些聚合物,研究人员表明,它们可以封装不同长度的DNA,从几十个核苷酸到整个人类基因组(超过50000个碱基对)。除了《侏罗纪公园》的主题音乐外,他们还能够存储编码《解放宣言》和麻省理工学院标志的DNA

在存储了DNA并将其移除后,研究人员对其进行了测序,发现没有引入任何错误,这是任何数字数据存储系统的关键特征。

研究人员还表明,这种热固性聚合物可以保护DNA免受高达75摄氏度(167华氏度)的温度影响。他们现在正在研究如何简化聚合物的制造过程,并将其制成长期储存的胶囊。

由Banal和Bathe创办的Cache DNA公司,Johnson是科学咨询委员会的成员,目前正在进一步开发DNA存储技术。他们设想的最早应用是为个性化医疗存储基因组,他们还预计,随着未来更好的技术的发展,这些存储的基因组可能会进行进一步的分析。

巴纳尔说:“我们的想法是,为什么不永远保存生命的主记录呢?”。“十年或二十年后,当技术发展到我们今天所能想象的地步时,我们可以学到越来越多的东西。我们仍处于了解基因组及其与疾病关系的初级阶段。”




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