《侏罗纪公园》剧情成真:麻省理工学院创造出用于储存 DNA 的合成琥珀

摘要:

麻省理工学院研究人员开发的一种新型聚合物在 DNA 储存方面取得了重大进展,它能在室温下保存 DNA,而无需传统冷冻方法所需的能源成本。这种技术不仅能有效地存储大量数据,还能确保 DNA 易于检索和不受损坏,因此是一种很有前途的基因和数字存档解决方案。

DNA 保存技术的进步

在电影《侏罗纪公园》中,科学家提取了在琥珀中保存了数百万年的 DNA,并用它创造了早已灭绝的恐龙种群。

麻省理工学院的研究人员部分受这部电影的启发,开发出一种玻璃状、类似琥珀的聚合物,可用于长期存储 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,因此需要消耗大量能源,在世界上许多地方都不可行。相比之下,新型琥珀状聚合物可以在室温下储存 DNA,同时保护分子不受热量或水的破坏。

研究人员证明,他们可以用这种聚合物存储编码《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取出,而不会对其造成损坏。

简化 DNA 保存技术

前麻省理工学院博士后詹姆斯-巴纳尔(James Banal)说:"冷冻 DNA 是保存 DNA 的首要方法,但这种方法非常昂贵,而且无法扩展。我认为,我们的新保存方法将成为一种可能推动未来在 DNA 上存储数字信息的技术"。

巴纳尔和麻省理工学院A. Thomas Geurtin化学教授杰里迈亚-约翰逊(Jeremiah Johnson)是这项研究的资深作者,他们的研究成果于6月12日发表在《美国化学学会学报》(Journal of the American Chemical Society)上。麻省理工学院前博士后 Elizabeth Prince 和麻省理工学院博士后 Ho Fung Cheng 是论文的主要作者。

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麻省理工学院的研究人员设计出了一种将 DNA 封装到一种名为交联聚苯乙烯的热固性聚合物中的方法。DNA 被嵌入聚合物后,可以通过用半胱胺处理聚合物再次释放出来。图片来源:研究人员提供

探索新的 DNA 编码方法

DNA 是一种非常稳定的分子,非常适合存储海量信息,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。同样的信息可以通过构成遗传密码的四种核苷酸编码到 DNA 中:例如,G 和 C 可用来表示 0,而 A 和 T 则表示 1。

DNA 提供了一种高密度存储数字信息的方法:从理论上讲,一个装满 DNA 的咖啡杯就可以储存全世界的数据。DNA 还非常稳定,合成和排序也相对容易。

2021 年,巴纳尔和他的博士后导师、麻省理工学院生物工程教授马克-巴特(Mark Bathe)开发出一种将 DNA 储存在二氧化硅颗粒中的方法,这些颗粒可以贴上标签,显示颗粒中的内容。这项工作促成了名为"Cache DNA"的衍生公司的诞生。

这种储存系统的一个缺点是,将 DNA 嵌入二氧化硅颗粒需要几天的时间。此外,从颗粒中移除 DNA 需要氢氟酸,而氢氟酸会对处理 DNA 的工人造成危害。

用于 DNA 存储的创新聚合物设计

为了找到替代存储材料,巴纳尔开始与约翰逊及其实验室成员合作。他们的想法是使用一种被称为可降解热固性的聚合物,这种聚合物在加热时会形成固体。这种材料还包括易于断裂的可裂解链节,使聚合物能够以可控的方式降解。

约翰逊说:"有了这些可解构热固性塑料,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一种交联剂来制造热固性聚合物,它们共同形成了一种琥珀色的热固性聚合物--交联聚苯乙烯。这种热固性聚合物还具有很强的疏水性,因此可以防止水分进入并破坏 DNA。为了使这种热固性物质可以降解,苯乙烯单体和交联剂与称为亚硫酰内酯的单体共聚。通过使用一种名为半胱胺的分子对其进行处理,可以切断这些连接。

T-REX 方法:DNA 储存的新方法

由于苯乙烯非常疏水,研究人员必须想出一种方法来诱导 DNA(一种亲水性、带负电荷的分子)进入苯乙烯。

为此,他们找到了三种单体的组合,并将其转化为聚合物,通过帮助 DNA 与苯乙烯相互作用来溶解 DNA。每种单体都有不同的特性,它们通力合作,使 DNA 离开水进入苯乙烯。在那里,DNA 形成球形复合物,带电的 DNA 位于中心,疏水基团形成与苯乙烯相互作用的外层。加热后,这种溶液会变成玻璃状的固体块,其中嵌入 DNA 复合物。

研究人员将他们的方法命名为 T-REX(热固性强化湿保存)。研究人员说,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,这个时间可能会缩短。

为了释放 DNA,研究人员首先加入半胱胺,半胱胺会裂解将聚苯乙烯热固性材料连接在一起的键,将其分解成小块。然后,再加入一种名为 SDS 的洗涤剂,这样就能在不损坏聚苯乙烯的情况下将 DNA 从聚苯乙烯中分离出来。

DNA 存储技术的未来

研究人员利用这些聚合物证明,他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,他们还能存储编码《解放奴隶宣言》和麻省理工学院徽标的 DNA。

在对 DNA 进行存储和移除之后,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。

研究人员还发现,这种热固性聚合物可以在高达 75摄氏度(167华氏度)的温度下保护 DNA。目前,他们正在研究如何简化聚合物的制作过程,并将其制成胶囊,以便长期储存。

对个性化医疗和未来研究的影响

Cache DNA 是由 Banal 和 Bathe 创办的一家公司,Johnson 是该公司科学顾问委员会的成员。他们设想的最早应用是存储用于个性化医疗的基因组,他们还预计,随着未来更好技术的开发,这些存储的基因组可能会被进一步分析。

"我们的想法是,为什么不永远保存生命的主记录呢?巴纳尔说。"10年或20年后,当科技的进步远远超出我们今天的想象时,我们可以了解到越来越多的东西。我们对基因组及其与疾病的关系的了解还处于起步阶段。"

编译来源:ScitechDaily

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