Methode könnte zur langfristigen Speicherung von Genomen oder digitalen Daten verwendet werden

Im Film „Jurassic Park“ extrahierten Wissenschaftler über Millionen von Jahren in Bernstein konservierte DNA und verwendeten diese, um eine Population längst ausgestorbener Dinosaurier zu erschaffen.

Teilweise von diesem Film inspiriert, haben Forscher am MIT ein glasartiges, bernsteinartiges Polymer entwickelt, das zur langfristigen Speicherung von DNA verwendet werden kann, sei es nun das gesamte menschliche Genom oder digitale Dateien wie Fotos.

Die meisten aktuellen Methoden zur Lagerung von DNA erfordern Gefriertemperaturen, verbrauchen also viel Energie und sind in vielen Teilen der Welt nicht durchführbar. Im Gegensatz dazu kann das neue bernsteinartige Polymer DNA bei Raumtemperatur lagern und gleichzeitig die Moleküle vor Schäden durch Hitze oder Wasser schützen.

Die Forscher zeigten, dass sie dieses Polymer verwenden konnten, um DNA-Sequenzen zu speichern, die die Titelmusik von Jurassic Park sowie ein komplettes menschliches Genom kodieren. Sie zeigten auch, dass die DNA leicht aus dem Polymer entfernt werden kann, ohne es zu beschädigen.

„Das Einfrieren von DNA ist die beste Methode, sie zu konservieren, aber es ist sehr teuer und nicht skalierbar“, sagt James Banal, ein ehemaliger Postdoc am MIT. „Ich denke, unsere neue Konservierungsmethode wird eine Technologie sein, die die Zukunft der Speicherung digitaler Informationen auf DNA vorantreiben könnte.“

Banal und Jeremiah Johnson, A. Thomas Geurtin Professor für Chemie am MIT, sind die Hauptautoren der Studie. veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Society. Die ehemalige MIT-Postdoc Elizabeth Prince und der MIT-Postdoc Ho Fung Cheng sind die Hauptautoren des Artikels.

Erfassung von DNA

DNA, ein sehr stabiles Molekül, eignet sich gut zum Speichern großer Informationsmengen, einschließlich digitaler Daten. Digitale Speichersysteme kodieren Texte, Fotos und andere Arten von Informationen als eine Reihe von Nullen und Einsen. Dieselben Informationen können in DNA kodiert werden, indem man die vier Nukleotide verwendet, die den genetischen Code bilden: A, T, G und C. Beispielsweise könnten G und C verwendet werden, um 0 darzustellen, während A und T 1 darstellen.

DNA bietet eine Möglichkeit, diese digitalen Informationen mit 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 Postdoc-Betreuer Mark Bathe, ein MIT-Professor für Biotechnik, eine Methode, DNA in Kieselsäurepartikeln zu speichern, die mit Markierungen versehen werden konnten, die den Inhalt der Partikel preisgaben. Diese Arbeit führte zu einem Spin-off namens Cache DNA.

Ein Nachteil dieses Speichersystems ist, dass es mehrere Tage dauert, DNA in die Silikapartikel einzubetten. Darüber hinaus erfordert das Entfernen der DNA aus den Partikeln Flusssäure, was 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 war, einen Polymertyp zu verwenden, der als abbaubarer Duroplast bekannt ist und aus Polymeren besteht, die bei Erhitzung einen Feststoff bilden. Das Material enthält außerdem spaltbare Verbindungen, die leicht aufgebrochen werden können, wodurch das Polymer auf kontrollierte Weise abgebaut werden kann.

„Bei diesen dekonstruierbaren Duroplasten können wir, abhängig davon, welche spaltbaren Bindungen wir in sie einbringen, wählen, wie wir sie abbauen wollen“, sagt Johnson.

Für dieses Projekt entschieden sich die Forscher, ihr Duroplastpolymer aus Styrol und einem Vernetzer herzustellen, die zusammen einen bernsteinähnlichen Duroplasten namens vernetztes Polystyrol bilden. Dieser Duroplast ist außerdem sehr hydrophob, sodass er das Eindringen von Feuchtigkeit und die damit verbundene Schädigung der DNA verhindern kann. Um den Duroplasten abbaubar zu machen, werden die Styrolmonomere und Vernetzer mit Monomeren namens Thionolactone copolymerisiert. Diese Verbindungen können durch Behandlung mit einem Molekül namens Cysteamin aufgebrochen werden.

Da Styrol so hydrophob ist, mussten die Forscher eine Möglichkeit finden, DNA – ein hydrophiles, negativ geladenes Molekül – in das Styrol zu locken.

Zu diesem Zweck identifizierten sie eine Kombination aus drei Monomeren, die sie in Polymere umwandeln konnten, die DNA auflösen, indem sie ihr die Interaktion mit Styrol ermöglichen. Jedes der Monomere hat unterschiedliche Eigenschaften, die zusammenwirken, um die DNA aus dem Wasser in das Styrol zu befördern. Dort bildet die DNA sphärische Komplexe, mit geladener DNA in der Mitte und hydrophoben Gruppen, die eine äußere Schicht bilden, die mit Styrol interagiert. Beim Erhitzen wird diese Lösung zu einem festen, glasartigen Block, in den DNA-Komplexe eingebettet sind.

Die Forscher nannten ihre Methode T-REX (Thermoset-REinforced Xeropreservation). Der Prozess der Einbettung der DNA in das Polymernetzwerk dauert einige Stunden, aber dieser Zeitraum könnte durch weitere Optimierung verkürzt werden, sagen die Forscher.

Um die DNA freizusetzen, fügen die Forscher zunächst Cysteamin hinzu, das die Bindungen spaltet, die das Polystyrol zusammenhalten, und es in kleinere Stücke zerlegt. Dann kann ein Reinigungsmittel namens SDS hinzugefügt werden, um die DNA aus dem Polystyrol zu entfernen, ohne es zu beschädigen.

Speicherung von Informationen

Mithilfe dieser Polymere konnten die Forscher zeigen, dass sie DNA unterschiedlicher Länge einkapseln konnten, von einigen Dutzend Nukleotiden bis hin zu einem gesamten menschlichen Genom (mehr als 50.000 Basenpaare). Sie konnten DNA speichern, die die Emanzipationsproklamation und das MIT-Logo kodierte, sowie die Titelmusik von „Jurassic Park“.

Nachdem die Forscher die DNA gespeichert und wieder entfernt hatten, sequenzierten sie sie und stellten fest, dass sich keine Fehler eingeschlichen hatten, was ein wichtiges Merkmal jedes digitalen Datenspeichersystems ist.

Die Forscher zeigten auch, dass der Duroplast die DNA vor Temperaturen bis zu 75 Grad Celsius schützen kann. Sie arbeiten nun an Möglichkeiten, den Herstellungsprozess der Polymere zu optimieren und sie zu Kapseln für die Langzeitlagerung zu verarbeiten.

Cache DNA, ein von Banal und Bathe gegründetes Unternehmen, in dessen wissenschaftlichem Beirat Johnson sitzt, arbeitet derzeit an der Weiterentwicklung der DNA-Speichertechnologie. Als erste Anwendung ist die Speicherung von Genomen für personalisierte Medizin vorgesehen. Außerdem gehen sie davon aus, dass diese gespeicherten Genome mit der Entwicklung besserer Technologien in Zukunft weiter analysiert werden können.

„Die Idee ist, warum bewahren wir nicht das Gesamtarchiv des Lebens für immer auf?“, sagt Banal. „In zehn oder zwanzig Jahren, wenn die Technologie viel weiter fortgeschritten ist, als wir es uns heute vorstellen können, könnten wir immer mehr Dinge lernen. Unser Verständnis des Genoms und seiner Beziehung zu Krankheiten steht noch ganz am Anfang.“

Diese Geschichte wird mit freundlicher Genehmigung von MIT News erneut veröffentlicht (web.mit.edu/newsoffice/), eine beliebte Site mit Neuigkeiten zu Forschung, Innovation und Lehre am MIT.