ASCOLTA I NOSTRI PODCAST SU SPOTIFY
Con il loro metodo “T-REX”, il DNA incorporato nel polimero potrebbe essere utilizzato per l’archiviazione a lungo termine di genomi o dati digitali come foto e musica.
Nel film “Jurassic Park”, gli scienziati hanno estratto il DNA che era stato conservato nell’ambra per milioni di anni e lo hanno usato per creare una popolazione di dinosauri estinti da tempo.
Ispirati in parte da quel film, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un polimero vetroso, simile all’ambra, che può essere utilizzato per la conservazione a lungo termine del DNA, sia che si tratti di interi genomi umani che di file digitali come le foto.
La maggior parte dei metodi attuali per conservare il DNA richiede temperature di congelamento, quindi consumano una grande quantità di energia e non sono fattibili in molte parti del mondo.
Al contrario, il nuovo polimero simile all’ambra può immagazzinare il DNA a temperatura ambiente, proteggendo le molecole dai danni causati dal calore o dall’acqua.
I ricercatori hanno dimostrato che potrebbero usare questo polimero per memorizzare sequenze di DNA che codificano la musica del tema di Jurassic Park, così come un intero genoma umano.
Hanno anche dimostrato che il DNA può essere facilmente rimosso dal polimero senza danneggiarlo.
“Congelare il DNA è il modo numero uno per preservarlo, ma è molto costoso e non è scalabile”, afferma James Banal, ex postdoc del MIT.
“Penso che il nostro nuovo metodo di conservazione sarà una tecnologia che potrebbe guidare il futuro dell’archiviazione delle informazioni digitali sul DNA”.
Banal e Jeremiah Johnson, professore di chimica al MIT, sono gli autori senior dello studio, pubblicato sul Journal of the American Chemical Society. L’ex postdoc del MIT Elizabeth Prince e il postdoc del MIT Ho Fung Cheng sono gli autori principali dell’articolo.
Catturare il DNA
Il DNA, una molecola molto stabile, è adatto per memorizzare enormi quantità di informazioni, compresi i dati digitali.
I sistemi di archiviazione digitale codificano testo, foto e altri tipi di informazioni come una serie di 0 e 1.
Queste stesse informazioni possono essere codificate nel DNA utilizzando i quattro nucleotidi che compongono il codice genetico: A, T, G e C. Ad esempio, G e C possono essere utilizzati per rappresentare 0 mentre A e T rappresentano 1.
Il DNA offre un modo per immagazzinare queste informazioni digitali ad altissima densità: in teoria, una tazza di caffè piena di DNA potrebbe contenere tutti i dati del mondo.
Il DNA è anche molto stabile e relativamente facile da sintetizzare e sequenziare.
Nel 2021, Banal e il suo consulente post-dottorato, Mark Bathe, professore di ingegneria biologica al MIT, hanno sviluppato un modo per conservare il DNA in particelle di silice, che potevano essere etichettate con etichette che rivelavano il contenuto delle particelle. Quel lavoro ha portato a uno spinout chiamato Cache DNA.
Uno svantaggio di questo sistema di archiviazione è che ci vogliono diversi giorni per incorporare il DNA nelle particelle di silice. Inoltre, la rimozione del DNA dalle particelle richiede acido fluoridrico, che può essere pericoloso per i lavoratori che maneggiano il DNA.
Per trovare materiali di stoccaggio alternativi, Banal ha iniziato a lavorare con Johnson e i membri del suo laboratorio.
La loro idea era quella di utilizzare un tipo di polimero noto come termoindurente degradabile, che consiste in polimeri che formano un solido quando vengono riscaldati. Il materiale include anche maglie scissionabili che possono essere facilmente rotte, consentendo al polimero di essere degradato in modo controllato.
“Con questi termoindurenti decostruibili, a seconda dei legami scissionabili che vi inseriamo, possiamo scegliere come degradarli”, afferma Johnson.
Per questo progetto, i ricercatori hanno deciso di realizzare il loro polimero termoindurente da stirene e un reticolante, che insieme formano un termoindurente simile all’ambra chiamato polistirene reticolato.
Questo termoindurente è anche molto idrofobo, quindi può impedire all’umidità di entrare e danneggiare il DNA.
Per rendere degradabile il termoindurente, i monomeri di stirene e i reticolanti sono copolimerizzati con monomeri chiamati tionolactoni. Questi legami possono essere interrotti trattandoli con una molecola chiamata cisteamina.
Poiché lo stirene è così idrofobo, i ricercatori hanno dovuto trovare un modo per attirare il DNA – una molecola idrofila e caricata negativamente – nello stirene.
Per fare ciò, hanno identificato una combinazione di tre monomeri che potrebbero trasformare in polimeri che dissolvono il DNA aiutandolo a interagire con lo stirene.
Ciascuno dei monomeri ha caratteristiche diverse che cooperano per estrarre il DNA dall’acqua e portarlo nello stirene.
Lì, il DNA forma complessi sferici, con DNA carico al centro e gruppi idrofobici che formano uno strato esterno che interagisce con lo stirene.
Una volta riscaldata, questa soluzione diventa un blocco solido simile al vetro, incorporato con complessi di DNA.
I ricercatori hanno soprannominato il loro metodo T-REX (Thermoset-REinforced Xeropreservation).
Il processo di incorporazione del DNA nella rete polimerica richiede alcune ore, ma potrebbe diventare più breve con un’ulteriore ottimizzazione, dicono i ricercatori.
Per rilasciare il DNA, i ricercatori aggiungono prima la cisteamina, che scinde i legami che tengono insieme il termoindurente di polistirolo, rompendolo in pezzi più piccoli.
Quindi, è possibile aggiungere un detergente chiamato SDS per rimuovere il DNA dal polistirolo senza danneggiarlo.
Memorizzazione delle informazioni
Utilizzando questi polimeri, i ricercatori hanno dimostrato che potrebbero incapsulare DNA di lunghezza variabile, da decine di nucleotidi fino a un intero genoma umano (più di 50.000 paia di basi).
Sono stati in grado di memorizzare il DNA che codifica il Proclama di Emancipazione e il logo del MIT, oltre alla colonna sonora di “Jurassic Park”.
Dopo aver immagazzinato il DNA e poi averlo rimosso, i ricercatori lo hanno sequenziato e hanno scoperto che non erano stati introdotti errori, che è una caratteristica fondamentale di qualsiasi sistema di archiviazione digitale dei dati.
I ricercatori hanno anche dimostrato che il polimero termoindurente può proteggere il DNA da temperature fino a 75 gradi Celsius.
Ora stanno lavorando su modi per semplificare il processo di produzione dei polimeri e trasformarli in capsule per la conservazione a lungo termine.
Cache DNA, una società fondata da Banal and Bathe, con Johnson come membro del comitato consultivo scientifico, sta ora lavorando per sviluppare ulteriormente la tecnologia di conservazione del DNA.
La prima applicazione che prevedono è la conservazione dei genomi per la medicina personalizzata e prevedono anche che questi genomi immagazzinati potrebbero essere sottoposti a ulteriori analisi man mano che in futuro verrà sviluppata una tecnologia migliore.
“L’idea è: perché non preserviamo per sempre la memoria principale della vita?” Dice Banal.
“Tra dieci o 20 anni, quando la tecnologia sarà progredita molto più di quanto potremmo mai immaginare oggi, potremmo imparare sempre più cose. Siamo ancora agli albori della comprensione del genoma e di come si relaziona con la malattia”.
