Gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology (MIT) sono riusciti a conservare il DNA in un polimero simile all’ambra. Nel film “Jurassic Park”, gli scienziati hanno estratto il DNA che era stato conservato nell’ambra per milioni di anni e lo hanno utilizzato per creare una popolazione di dinosauri estinti da tempo. Ispirandosi in parte a 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, siano essi interi genomi umani o file digitali come le foto.
La maggior parte dei metodi attuali per conservare il DNA richiedono temperature gelide, 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 di poter utilizzare questo polimero per immagazzinare sequenze di DNA che codificano il tema musicale di Jurassic Park, nonché un intero genoma umano. Hanno inoltre dimostrato che il DNA può essere facilmente rimosso dal polimero senza danneggiarlo.
“Il congelamento del 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 della memorizzazione delle informazioni digitali sul DNA”.
Banal e Jeremiah Johnson, professore di chimica del MIT A. Thomas Geurtin, sono gli autori senior dello studio, pubblicato ieri 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 archiviare 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. Questa stessa informazione può essere codificata nel DNA utilizzando i quattro nucleotidi che compongono il codice genetico: A, T, G e C. Ad esempio, G e C potrebbero essere usati per rappresentare 0 mentre A e T rappresentano 1.
Il DNA offre un modo per archiviare queste informazioni digitali ad altissima densità: in teoria, una tazza di caffè piena di DNA potrebbe archiviare 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-doc, Mark Bathe, un professore di ingegneria biologica del MIT, hanno sviluppato un modo per immagazzinare il DNA in particelle di silice, che potrebbero essere etichettate con tag che rivelavano il contenuto delle particelle. Quel lavoro ha portato a uno spinout chiamato Cache DNA. Uno svantaggio di questo sistema di stoccaggio 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, costituito da polimeri che formano un solido quando riscaldati. Il materiale include anche collegamenti scindibili che possono essere facilmente rotti, consentendo la degradazione del polimero in modo controllato. “Con questi materiali termoindurenti decostruibili, a seconda dei legami scindibili che inseriamo in essi, possiamo scegliere come vogliamo 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 materiale termoindurente simile all’ambra chiamato polistirene reticolato. Questo materiale termoindurente è anche molto idrofobo, quindi può impedire all’umidità di penetrare e danneggiare il DNA. Per rendere degradabile il termoindurente, i monomeri dello stirene e i reticolanti vengono copolimerizzati con monomeri chiamati tionolattoni. Questi collegamenti possono essere interrotti trattandoli con una molecola chiamata cisteamina.
Poiché lo stirene è così idrofobico, 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 far uscire il DNA dall’acqua e inserirlo 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 (Xeropreservation Thermoset-REinforced). Il processo di inclusione del DNA nella rete polimerica richiede alcune ore, ma potrebbe ridursi 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 polistirolo termoindurente, rompendolo in pezzi più piccoli. Successivamente 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 di poter incapsulare DNA di varia lunghezza, 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 dello stesso MIT, oltre al tema musicale di “Jurassic Park”.
Dopo aver archiviato il DNA e averlo poi rimosso, i ricercatori lo hanno sequenziato e hanno scoperto che non erano stati introdotti errori, il che è una caratteristica fondamentale di qualsiasi sistema di archiviazione di dati digitali.
I ricercatori hanno anche dimostrato che il polimero termoindurente può proteggere il DNA da temperature fino a +75°C (167 gradi Fahrenheit). Ora stanno lavorando su come semplificare il processo di produzione dei polimeri e di loro formazione in capsule per la conservazione a lungo termine.
Cache DNA, una società fondata da Banal e Bathe, con Johnson come membro del comitato consultivo scientifico, sta ora lavorando all’ulteriore sviluppo della tecnologia di archiviazione del DNA. La prima applicazione che prevedono è l’archiviazione di genomi per la medicina personalizzata e prevedono anche che questi genomi archiviati 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 documentazione principale della vita?” Banale dice. “Tra dieci o vent’anni, quando la tecnologia sarà avanzata molto più di quanto potremmo mai immaginare oggi, potremmo imparare sempre più cose. Siamo ancora nella fase iniziale della comprensione del genoma e del suo rapporto con la malattia”.
La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation.
