دانشمندان DNA را در پلیمری شبیه کهربا حفظ می کنند

در فیلم «پارک ژوراسیک»، دانشمندان DNA را استخراج کردند که میلیون‌ها سال در کهربا حفظ شده بود و از آن برای ایجاد جمعیتی از دایناسورهای منقرض شده استفاده کردند.

محققان MIT با الهام از آن فیلم، پلیمری شیشه‌ای و شبیه کهربا ساخته‌اند که می‌تواند برای ذخیره‌سازی طولانی‌مدت DNA، خواه کل ژنوم انسان یا فایل‌های دیجیتالی مانند عکس‌ها، استفاده شود.

اکثر روش‌های فعلی برای ذخیره‌سازی DNA به دمای انجماد نیاز دارند، بنابراین انرژی زیادی مصرف می‌کنند و در بسیاری از نقاط جهان قابل اجرا نیستند. در مقابل، پلیمر شبیه کهربا جدید می‌تواند DNA را در دمای اتاق ذخیره کند و در عین حال از مولکول‌ها در برابر آسیب ناشی از گرما یا آب محافظت کند.

محققان نشان دادند که می‌توانند از این پلیمر برای ذخیره توالی‌های DNA کدکننده موسیقی تم پارک ژوراسیک و همچنین کل ژنوم انسان استفاده کنند. آنها همچنین نشان دادند که DNA را می توان به راحتی از پلیمر بدون آسیب رساندن به آن جدا کرد.

جیمز بانال، فوق دکترای سابق MIT می گوید: «انجماد DNA راه شماره یک برای حفظ آن است، اما بسیار گران است، و مقیاس پذیر نیست. من فکر می‌کنم روش جدید نگهداری ما فناوری‌ای خواهد بود که ممکن است آینده ذخیره‌سازی اطلاعات دیجیتال روی DNA را هدایت کند.»

Banal و Jeremiah Johnson، A. Thomas Geurtin، استاد شیمی در MIT، نویسندگان ارشد این مطالعه هستند که در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است. الیزابت پرینس، فوق دکترای سابق MIT و هو فانگ چنگ، فوق دکترای MIT، نویسندگان اصلی مقاله هستند.

گرفتن DNA

DNA، یک مولکول بسیار پایدار، برای ذخیره حجم عظیمی از اطلاعات، از جمله داده های دیجیتال، مناسب است. سیستم‌های ذخیره‌سازی دیجیتال متن، عکس‌ها و سایر اطلاعات را به صورت مجموعه‌ای از 0 و 1 رمزگذاری می‌کنند. همین اطلاعات را می توان با استفاده از چهار نوکلئوتید که کد ژنتیکی را تشکیل می دهند در DNA رمزگذاری کرد: A، T، G و C. به عنوان مثال، G و C می توانند برای نشان دادن 0 استفاده شوند در حالی که A و T نشان دهنده 1 هستند.

DNA راهی برای ذخیره این اطلاعات دیجیتال با چگالی بسیار بالا ارائه می دهد: در تئوری، یک لیوان قهوه پر از DNA می تواند تمام داده های جهان را ذخیره کند. DNA نیز بسیار پایدار است و سنتز و توالی یابی آن نسبتا آسان است.

در سال 2021، بانال و مشاور فوق دکترش، مارک باث، استاد مهندسی بیولوژیکی MIT، راهی برای ذخیره DNA در ذرات سیلیس ایجاد کردند که می‌توان آن را با برچسب‌هایی که محتوای ذرات را آشکار می‌کرد، برچسب‌گذاری کرد. آن کار منجر به یک spinout به نام Cache DNA شد.

یکی از نکات منفی این سیستم ذخیره سازی این است که چندین روز طول می کشد تا DNA در ذرات سیلیس جاسازی شود. علاوه بر این، حذف DNA از ذرات به اسید هیدروفلوئوریک نیاز دارد که می‌تواند برای کارگرانی که با DNA کار می‌کنند، خطرناک باشد.

بانال برای دستیابی به مواد ذخیره سازی جایگزین، کار خود را با جانسون و اعضای آزمایشگاهش آغاز کرد. ایده آنها این بود که از نوعی پلیمر به نام ترموست تجزیه پذیر استفاده کنند که از پلیمرهایی تشکیل شده است که هنگام گرم شدن یک جامد تشکیل می دهند. این ماده همچنین شامل پیوندهای قابل جدا شدن است که به راحتی می توانند شکسته شوند و به پلیمر اجازه می دهند تا به روشی کنترل شده تجزیه شود.

جانسون می‌گوید: «با این گرماسخت‌های تجزیه‌پذیر، بسته به اینکه چه پیوندهای شکافتنی را در آنها قرار می‌دهیم، می‌توانیم انتخاب کنیم که چگونه می‌خواهیم آنها را تخریب کنیم.

برای این پروژه، محققان تصمیم گرفتند پلیمر ترموست خود را از استایرن و یک اتصال دهنده متقاطع بسازند که با هم یک ترموست کهربایی به نام پلی استایرن متقاطع تشکیل می دهند. این ترموست همچنین بسیار آبگریز است، بنابراین می تواند از ورود رطوبت و آسیب رساندن به DNA جلوگیری کند. برای تجزیه پذیر شدن ترموست، مونومرهای استایرن و پیوندهای عرضی با مونومرهایی به نام تیونولاکتون ها کوپلیمر می شوند. این پیوندها را می توان با درمان آنها با مولکولی به نام سیستامین شکست.

از آنجایی که استایرن بسیار آبگریز است، محققان مجبور شدند راهی برای جذب DNA – یک مولکول آبدوست با بار منفی – به داخل استایرن بیابند.

برای انجام این کار، آنها ترکیبی از سه مونومر را شناسایی کردند که می‌توانستند آن‌ها را به پلیمرهایی تبدیل کنند که DNA را با کمک به تعامل با استایرن حل می‌کنند. هر یک از مونومرها دارای ویژگی های متفاوتی هستند که با همکاری یکدیگر DNA را از آب خارج کرده و وارد استایرن می کنند. در آنجا، DNA مجتمع‌های کروی شکل می‌دهد، با DNA باردار در مرکز و گروه‌های آبگریز یک لایه بیرونی را تشکیل می‌دهند که با استایرن برهم‌کنش می‌کند. هنگامی که این محلول گرم می شود، به یک بلوک جامد شیشه مانند تبدیل می شود که با کمپلکس های DNA جاسازی شده است.

محققان روش خود را T-REX (Thermoset-REinforced Xeropreservation) نامیدند. به گفته محققان، فرآیند جاسازی DNA در شبکه پلیمری چند ساعت طول می‌کشد، اما با بهینه‌سازی بیشتر می‌تواند کوتاه‌تر شود.

برای آزادسازی DNA، محققان ابتدا سیستامین را اضافه کردند که پیوندهای نگهدارنده ترموست پلی استایرن را به هم می‌شکند و آن را به قطعات کوچک‌تر می‌شکند. سپس می توان یک ماده شوینده به نام SDS اضافه کرد تا DNA را از پلی استایرن بدون آسیب رساندن به آن حذف کند.

ذخیره سازی اطلاعات

با استفاده از این پلیمرها، محققان نشان دادند که می توانند DNA با طول های مختلف، از ده ها نوکلئوتید تا کل ژنوم انسان (بیش از 50000 جفت باز) را محصور کنند. آنها توانستند DNA رمزگذاری اعلامیه رهایی و آرم MIT را علاوه بر موسیقی تم “پارک ژوراسیک” ذخیره کنند.

پس از ذخیره DNA و سپس حذف آن، محققان آن را توالی یابی کردند و متوجه شدند که هیچ خطایی در آن وجود ندارد، که این یکی از ویژگی های مهم هر سیستم ذخیره سازی داده های دیجیتال است.

محققان همچنین نشان دادند که پلیمر ترموست می‌تواند از DNA در برابر دمای ۷۵ درجه سانتی‌گراد (۱۶۷ درجه فارنهایت) محافظت کند. آنها اکنون در حال کار بر روی روش هایی برای ساده سازی فرآیند ساخت پلیمرها و تبدیل آنها به کپسول برای ذخیره سازی طولانی مدت هستند.

Cache DNA، شرکتی که توسط Banal and Bathe با جانسون به عنوان یکی از اعضای هیئت مشاوره علمی راه اندازی شد، اکنون در حال کار بر روی توسعه بیشتر فناوری ذخیره سازی DNA است. اولین کاربرد آنها ذخیره ژنوم برای پزشکی شخصی است و آنها همچنین پیش بینی می کنند که این ژنوم های ذخیره شده می توانند با توسعه فناوری بهتر در آینده مورد تجزیه و تحلیل بیشتری قرار گیرند.

ایده این است که چرا ما رکورد اصلی زندگی را برای همیشه حفظ نمی کنیم؟ بانال می گوید. “ده سال یا 20 سال بعد، زمانی که فناوری بسیار بیشتر از آنچه که ما تصور می‌کردیم امروز پیشرفت کرده است، می‌توانیم چیزهای بیشتری یاد بگیریم. ما هنوز در مراحل ابتدایی درک ژنوم و ارتباط آن با بیماری هستیم.”