Forscher am MIT haben ein bernsteinartiges glasartiges Polymer entwickelt, das zur langfristigen Speicherung von DNA verwendet werden kann, unabhängig davon, ob es sich um vollständige menschliche Genome oder digitale Dateien wie Fotos handelt.
Die meisten aktuellen Methoden zur DNA-Speicherung erfordern Gefriertemperaturen, verbrauchen daher viel Energie und sind in vielen Teilen der Welt nicht durchführbar. Stattdessen kann das neue bernsteinartige Polymer DNA bei Raumtemperatur speichern und gleichzeitig die Moleküle vor Schäden durch Hitze oder Wasser schützen.
Die Forscher zeigten, dass sie dieses Polymer verwenden könnten, um DNA-Sequenzen zu speichern, die die Musik aus „Jurassic Park“ kodieren, sowie ein ganzes menschliches Genom. Sie zeigten auch, dass DNA leicht aus dem Polymer extrahiert werden kann, ohne es zu beschädigen.
„Das Einfrieren von DNA ist die beste Möglichkeit, sie zu konservieren, aber sie ist sehr teuer und nicht skalierbar“, sagt James Banal, ein ehemaliger Postdoktorand am MIT, in einer Erklärung. „Ich glaube, dass unsere neue Konservierungsmethode eine Technologie sein wird, die die Zukunft der digitalen Informationsspeicherung in DNA vorantreiben kann“, fügte der Hauptautor der Studie hinzu, die im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde.
DNA ist ein sehr stabiles Molekül und eignet sich gut zur Speicherung großer Informationsmengen, einschließlich digitaler Daten. Digitale Speichersysteme kodieren Text, Fotos und andere Informationen als eine Reihe von Nullen und Einsen. Dieselben Informationen können in der DNA mithilfe der vier Nukleotide kodiert werden, aus denen der genetische Code besteht: A, T, G und C. Beispielsweise: G und C könnten verwendet werden, um 0 darzustellen, während A und T 1 darstellen.
DNA bietet eine Möglichkeit, diese digitalen Informationen in sehr hoher Dichte zu speichern: Theoretisch könnte eine Kaffeetasse voller DNA alle Daten der Welt speichern. DNA ist außerdem sehr stabil und relativ einfach zu synthetisieren und zu sequenzieren.
Im Jahr 2021 entwickelten Banal und sein Postdoktorand Mark Bathe, Professor für Biotechnik am MIT, eine Möglichkeit, DNA in Silica-Partikeln zu speichern, die mit Tags versehen werden könnten, die den Inhalt der Partikel offenlegen würden. Diese Arbeit führte zu einem Spin-off-Unternehmen namens Cache DNA.
Ein Nachteil dieses Speichersystems besteht darin, dass es mehrere Tage dauert, die DNA in die Silica-Partikel einzubetten. Darüber hinaus erfordert die Extraktion der DNA aus den Partikeln Flusssäure, die für Arbeiter, die mit der DNA umgehen, gefährlich sein kann.
Um alternative Speichermaterialien zu entwickeln, begann Banal mit Johnson und Mitgliedern seines Labors zusammenzuarbeiten. Ihre Idee bestand darin, eine Art Polymer zu verwenden, das als abbaubares Duroplast bekannt ist und aus Polymeren besteht, die beim Erhitzen einen Feststoff bilden. Das Material verfügt außerdem über spaltbare Bindungen, die sich leicht aufbrechen lassen und so einen kontrollierten Abbau des Polymers ermöglichen.
„Bei diesen dekonstruierbaren Duroplasten können wir abhängig von den spaltbaren Bindungen, die wir in sie einbauen, wählen, wie wir sie abbauen wollen“, sagt Johnson.
Für dieses Projekt beschlossen die Forscher, ihr duroplastisches Polymer aus Styrol und einem Vernetzer herzustellen, die zusammen ein bernsteinartiges Duroplast namens vernetztes Polystyrol bilden. Dieses Duroplast ist außerdem sehr hydrophob, sodass es verhindern kann, dass Feuchtigkeit eindringt und die DNA schädigt. Um das Duroplast abbaubar zu machen, werden die Styrolmonomere und Vernetzer mit Monomeren namens Thionolactonen copolymerisiert. Diese Bindungen können aufgebrochen werden, indem man sie mit einem Molekül namens Cysteamin behandelt.
Da Styrol so hydrophob ist, mussten Forscher einen Weg finden, DNA (ein negativ geladenes hydrophiles Molekül) an Styrol anzuziehen.
Dazu identifizierten sie eine Kombination aus drei Monomeren, die sie in Polymere umwandeln konnten, die DNA auflösen, indem sie sie bei der Wechselwirkung mit Styrol unterstützen. Jedes der Monomere hat unterschiedliche Eigenschaften, die zusammenwirken, um die DNA aus dem Wasser in das Styrol zu transportieren. Dort bildet die DNA kugelförmige Komplexe mit geladener DNA im Zentrum und hydrophoben Gruppen, die eine äußere Schicht bilden, die mit dem Styrol interagiert. Beim Erhitzen verwandelt sich diese Lösung in einen festen glasartigen Block, in den DNA-Komplexe eingebettet sind.
EINBETTEN IN WENIGEN STUNDEN
Die Forscher nannten ihre Methode T-REX (thermohardener-enhanced xeropreservation). Der Prozess der Einbettung der DNA in das Polymernetzwerk dauert einige Stunden, diese Zeit könnte jedoch durch weitere Optimierung verkürzt werden, sagen die Forscher.
Um die DNA freizusetzen, fügen die Forscher zunächst Cysteamin hinzu, das die Bindungen, die das Polystyrol-Duroplast zusammenhalten, aufbricht und es in kleinere Stücke zerbricht. Anschließend kann ein Reinigungsmittel namens SDS hinzugefügt werden, um die DNA aus dem Polystyrol zu entfernen, ohne es zu beschädigen.
Mithilfe dieser Polymere zeigten die Forscher, dass sie DNA unterschiedlicher Länge einkapseln können, von Dutzenden Nukleotiden bis hin zu einem gesamten menschlichen Genom (mehr als 50.000 Basenpaare). Sie konnten DNA speichern, die Lincolns Emanzipationserklärung und das MIT-Logo kodierte, sowie die Hintergrundmusik aus „Jurassic Park“.
Nachdem die DNA gespeichert und anschließend extrahiert worden war, sequenzierten die Forscher sie und stellten fest, dass keine Fehler aufgetreten waren, was ein grundlegendes Merkmal jedes digitalen Datenspeichersystems ist.
Die Forscher zeigten außerdem, dass das duroplastische Polymer die DNA vor Temperaturen von bis zu 75 Grad Celsius schützen kann. Sie arbeiten nun an Möglichkeiten, den Herstellungsprozess der Polymere zu rationalisieren und sie zur Langzeitlagerung in Kapseln zu formen.
