Парк Юрского периода в реальной жизни: ученые в MIT создают синтетический янтарь для хранения ДНК

В сюжете фильма «Парк Юрского периода» ученые извлекли ДНК, которая миллионы лет хранилась в янтаре, и использовали ее для воссоздания популяции давно вымерших динозавров.


Частично вдохновившись этой идеей, исследователи Массачусетского технологического института (MIT) разработали стекловидный полимер, похожий на янтарь. Он может быть использован для долгосрочного хранения ДНК, будь то геномы человека или цифровые файлы.

Новая технология также позволяет эффективно хранить ДНК в комнатных температурах, обеспечивая защиту молекул от повреждений, вызванных теплом или влагой. Это стало значительным преимуществом по сравнению с современными методами хранения ДНК, которые требуют низких температур и значительных энергозатрат, что делает их использование невозможным во многих частях мира.

Используя стекловидные полимеры, исследователи показали, что они могут инкапсулировать ДНК различной длины — от десятков нуклеотидов до целого человеческого генома (более 50 000 пар оснований). Они смогли сохранить в ДНК код, содержащий в себе «Прокламацию об освобождении рабов», логотип Массачусетского технологического института и музыкальную тему из «Парка Юрского периода».

После внедрения ДНК в полимер и последующего ее удаления, исследователи провели секвенирование и обнаружили отсутствие каких-либо ошибок в сохраненной информации, что является важнейшей особенностью любой цифровой системы хранения данных. Ученые также продемонстрировали, как термореактивный полимер может защитить ДНК от температур до 75 °C (167 °F).

Будущее технологии хранения ДНК

— Джеймс Банал, бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института.

ДНК — очень стабильная молекула, что делает ее подходящей для хранения огромных объемов информации, в том числе цифровых данных. Цифровые системы хранения кодируют текст, фотографии и другую информацию в виде последовательности из 0 и 1. Эта же информация может быть закодирована в ДНК с использованием четырех нуклеотидов, составляющих генетический код: A, T, G и C. Например, G и C могут быть использованы для обозначения 0, в то время как A и T представляют 1.

ДНК предлагает способ хранения цифровой информации с очень высокой плотностью: теоретически, в кофейной кружке, наполненной ДНК, можно хранить все данные в мире. ДНК также очень стабильна и относительно проста в синтезе и секвенировании.

В 2021 году Джеймс Банал и его научный руководитель Марк Бате, профессор биологической инженерии Массачусетского технологического института, разработали способ хранения ДНК в частицах кремнезема, которые можно было бы помечать тегами, раскрывающим и содержимое частиц. Эта работа привела к появлению нового продукта, получившего название CacheDNA.

Инновационный полимерный дизайн

Чтобы придумать альтернативные материалы для хранения, Джеймс Банал начал работать с профессором химии Массачусетского технологического института Джереми Джонсоном и сотрудниками его лаборатории. Их идея заключалась в использовании полимера, известного как разлагаемый термореактивный материал, что состоит из полимеров, которые при нагревании образуют твердое вещество. Материал также содержит расщепляемые звенья, которые могут быть легко разрушены, что позволяет контролировать его разложение.


— Джереми Джонс.

Для этого проекта исследователи разработали термореактивный полимер из стирола и сшивающего вещества, которые вместе образуют материал, похожий на янтарь, называемый сшитым полистиролом. Этот материал обладает высокой гидрофобностью, что помогает предотвратить попадание влаги и защищать ДНК от повреждений.



Чтобы внедрить ДНК в стирол, ученые определили комбинацию из трех мономеров, которые они могли бы превратить в полимеры, растворяющие ДНК, помогая ей взаимодействовать со стиролом.

Исследователи назвали свой метод T-REX (Термореактивная ксероконсервация). Процесс встраивания ДНК в полимерную сетку занимает несколько часов, но, по словам исследователей, при дальнейшей оптимизации его можно будет сократить.
Чтобы высвободить ДНК из полимера, исследователи сначала добавляют цистеамин, который расщепляет связи, скрепляющие термореактивный полистирол, разбивая его на более мелкие кусочки. Затем используется моющее средство под названием SDS, для удаления ДНК из полистирола без его повреждения.

А что потом?

CacheDNA, компания, основанная Баналом и Бате вместе с Джонсоном в качестве члена научно-консультативного совета, в настоящее время работает над дальнейшим развитием технологии хранения ДНК. Одно из первых применений, которое они рассматривают, — это хранение геномов для персонализированной медицины. Они также ожидают, что эти сохраненные геномы смогут подвергнуться дальнейшему анализу по мере появления более совершенных технологий в будущем.


— Джеймс Банал.

Стоит помнить, что человечество все еще находится в самом зачаточном состоянии понимания генома и того, как он связан с болезнями, отметил ученый.