通過“T-REX”方法，嵌入在聚合物中的DNA可以用于長期存儲基因組或數字數據

在電影《侏羅紀公園》(Jurassic Park)中，科學家們提取了保存在琥珀中數百萬年的DNA，并用它創造了一個滅絕已久的恐龍種群。

麻省理工學院的研究人員在一定程度上受到了這種薄膜的啟發，開發出了一種玻璃狀的琥珀狀聚合物，可用于長期存儲DNA，無論是整個人類基因組還是照片等數字文件。

目前大多數儲存DNA的方法都需要冰凍的溫度，因此它們消耗大量的能量，而且在世界上許多地方都不可行。相比之下，這種新的琥珀狀聚合物可以在室溫下儲存DNA，同時保護分子不受熱或水的損害。

研究人員表示，他們可以使用這種聚合物來存儲編碼《侏羅紀公園》主題音樂的DNA序列，以及整個人類基因組。他們還證明，DNA可以很容易地從聚合物中移除，而不會損壞聚合物。

前麻省理工學院博士后James Banal說:“冷凍DNA是保存它的首選方法，但它非常昂貴，而且不可擴展。我認為我們的新保存方法將成為一種可能推動未來在DNA上存儲數字信息的技術。”

麻省理工學院A. Thomas Geurtin化學教授Banal和Jeremiah Johnson是這項研究的資深作者，該研究昨天發表在《Journal of the American Chemical Society》上。前麻省理工學院博士后伊麗莎白·普林斯和麻省理工學院博士后Ho Fung Cheng是這篇論文的主要作者。

獲取DNA

DNA是一種非常穩定的分子，非常適合存儲大量信息，包括數字數據。數字存儲系統將文本、照片和其他類型的信息編碼為一系列0和1。同樣的信息可以用組成遺傳密碼的四種核苷酸來編碼:A、T、G和C。例如，G和C可以用來表示0，而A和T代表1。

DNA提供了一種高密度存儲這些數字信息的方法:理論上，一個裝滿DNA的咖啡杯可以存儲世界上所有的數據。DNA也非常穩定，相對容易合成和排序。

2021年，Banal和他的博士后導師、麻省理工學院生物工程教授Mark Bathe開發了一種將DNA存儲在二氧化硅顆粒中的方法，二氧化硅顆粒可以貼上標簽，顯示顆粒的內容。這項工作導致了一個名為“緩存DNA”的衍生產品。

這種存儲系統的一個缺點是，將DNA嵌入二氧化硅顆粒需要幾天的時間。此外，從顆粒中去除DNA需要氫氟酸，這對處理DNA的工人來說是危險的。

為了找到可替代的儲存材料，Banal開始與Johnson及其實驗室成員合作。他們的想法是使用一種被稱為可降解熱固性聚合物的聚合物，這種聚合物由加熱后形成固體的聚合物組成。這種材料還包括可切割的鏈接，可以很容易地斷裂，允許聚合物以一種可控的方式降解。

Johnson說:“有了這些可分解的熱固性材料，我們可以根據我們放入的可切割鍵來選擇如何降解它們。”

在這個項目中，研究人員決定用苯乙烯和交聯劑制造熱固性聚合物，它們一起形成一種琥珀狀的熱固性聚合物，稱為交聯聚苯乙烯。這種熱固性材料也非常疏水，所以它可以防止濕氣進入并破壞DNA。為了使熱固性塑料可降解，苯乙烯單體和交聯劑與稱為硫代內酯的單體共聚。這些連接可以通過一種叫做半胱胺的分子來破壞。

由于苯乙烯是如此疏水，研究人員必須想出一種方法來吸引DNA——一種親水、帶負電的分子——進入苯乙烯。

為了做到這一點，他們確定了三種單體的組合，他們可以將其轉化為聚合物，通過幫助DNA與苯乙烯相互作用來溶解DNA。每一種單體都有不同的特征，它們相互作用使DNA脫離水進入苯乙烯。在那里，DNA形成球形復合物，帶電荷的DNA在中心，疏水性基團形成與苯乙烯相互作用的外層。當加熱時，這種溶液變成固體玻璃狀塊，嵌入DNA復合物。

研究人員將他們的方法稱為T-REX(熱固性增強干燥保存)。研究人員說，將DNA嵌入聚合物網絡的過程需要幾個小時，但如果進一步優化，時間可能會縮短。

為了釋放DNA，研究人員首先加入半胱胺，它可以切斷聚苯乙烯熱固性材料的連接，將其分解成更小的碎片。然后，可以添加一種叫做SDS的洗滌劑，在不損壞聚苯乙烯的情況下從聚苯乙烯中去除DNA。

存儲的信息

利用這些聚合物，研究人員展示了它們可以封裝不同長度的DNA，從數十個核苷酸到整個人類基因組(超過50,000個堿基對)。除了《侏羅紀公園》的主題音樂外，他們還能夠存儲編碼《解放奴隸宣言》和麻省理工學院標志的DNA。

在存儲DNA然后取出后，研究人員對其進行了測序，發現沒有引入錯誤，這是任何數字數據存儲系統的關鍵特征。

研究人員還表明，熱固性聚合物可以保護DNA免受高達75攝氏度(167華氏度)的高溫影響。他們現在正在研究如何簡化制造聚合物的過程，并將其形成膠囊以長期儲存。

Cache DNA是一家由Banal和Bathe創辦的公司，Johnson是科學顧問委員會的成員，該公司目前正致力于進一步開發DNA存儲技術。他們設想的最早的應用是為個性化醫療存儲基因組，他們還預計，隨著未來更好的技術的發展，這些存儲的基因組可以進行進一步的分析。

“我們的想法是，為什么我們不永遠保存生命的主記錄呢?10年或20年后，當科技的進步遠遠超過我們今天的想象時，我們可以學到越來越多的東西。在了解基因組及其與疾病的關系方面，我們仍處于起步階段。”

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