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：《美国化学学会杂志》 2024。

DOI:10.1021/jacs.4c01925

神奇的地球据麻省理工学院 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，并用它制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，能用于长期存储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，在地球许多地方都不可行。

相比之下，这种新的琥珀状聚合物能在室温下储存DNA，同时保护分子免受热量或水造成的损伤。

研究人员表明，他们能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能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是这篇论文的重要作者。

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。

这种相同的信息能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能用来表示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的咖啡杯能存储地球上所有的数据。

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、麻省理工学院物种工程教授Mark Bathe开发了一种将DNA存储在二氧化硅颗粒中的方法，能用标签标记，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，我们能选择如何降解它们。

”。

在这个项目中，研究人员决定用苯乙烯和交联剂创造热固性聚合物，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，因此能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。

这些连接能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，它们能通过帮助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，能添加一种名为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，它们能封装不同长度的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，这种热固性聚合物能保护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创造过程，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进展，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，为何不永远保存生命的主记录呢？”。

“十年或二十年后，当技术进展到我们今天所能想象的地步时，我们能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。

”