מדענים משמרים DNA בפולימר דמוי ענבר

פרסומת
תכנון תשתיות רפואיות


בסרט "פארק היורה" חילצו מדענים DNA שהשתמר בענבר במשך מיליוני שנים, והשתמשו בו כדי ליצור אוכלוסיה של דינוזאורים שנכחדו זה מכבר.

פרסומת

בהשראת חלקית מהסרט הזה, חוקרי MIT פיתחו פולימר מזכוכית דמוי ענבר שיכול לשמש לאחסון ארוך טווח של DNA, בין אם גנום אנושי שלם או קבצים דיגיטליים כגון תמונות.

רוב השיטות הנוכחיות לאחסון DNA דורשות טמפרטורות הקפאה, ולכן הן צורכות אנרגיה רבה ואינן ניתנות לביצוע בחלקים רבים של העולם. לעומת זאת, הפולימר החדש דמוי הענבר יכול לאחסן DNA בטמפרטורת החדר תוך הגנה על המולקולות מפני נזק שנגרם מחום או מים.

החוקרים הראו שהם יכולים להשתמש בפולימר הזה כדי לאחסן רצפי DNA המקודדים את מוזיקת ​​הנושא מפארק היורה, כמו גם גנום אנושי שלם. הם גם הוכיחו שניתן להסיר את ה-DNA בקלות מהפולימר מבלי לפגוע בו.

"הקפאת DNA היא הדרך מספר אחת לשמר אותו, אבל זה מאוד יקר, וזה לא ניתן להרחבה", אומר ג'יימס בנאל, פוסט דוקטורט לשעבר ב-MIT. "אני חושב ששיטת השימור החדשה שלנו הולכת להיות טכנולוגיה שעשויה להניע את העתיד של אחסון מידע דיגיטלי על DNA."

בנאל וג'רמיה ג'ונסון, הפרופסור לכימיה א. תומס ג'ורטין ב-MIT, הם המחברים הבכירים של המחקר, שפורסם ב- כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיה. פוסט דוקטורט לשעבר של MIT אליזבת פרינס ופוסט דוקטורט של MIT Ho Fung Cheng הם המחברים הראשיים של המאמר.

לכידת DNA

DNA, מולקולה יציבה מאוד, מתאימה היטב לאחסון כמויות אדירות של מידע, כולל נתונים דיגיטליים. מערכות אחסון דיגיטליות מקודדות טקסט, תמונות וסוג אחר של מידע כסדרה של 0 ו-1. ניתן לקודד את אותו מידע ב-DNA באמצעות ארבעת הנוקלאוטידים המרכיבים את הקוד הגנטי: A, T, G ו-C. לדוגמה, ניתן להשתמש ב-G ו-C כדי לייצג 0 בעוד ש-A ו-T מייצגים 1.

DNA מציע דרך לאחסן את המידע הדיגיטלי הזה בצפיפות גבוהה מאוד: בתיאוריה, ספל קפה מלא ב-DNA יכול לאחסן את כל הנתונים בעולם. DNA גם מאוד יציב וקל יחסית לסנתז ולרצף.

בשנת 2021, בנאל ויועץ הפוסט-דוקטורט שלו, מארק באת', פרופסור להנדסה ביולוגית ב-MIT, פיתחו דרך לאחסן DNA בחלקיקי סיליקה, שאותם ניתן היה לתייג בתגים שחשפו את תוכן החלקיקים. העבודה הזו הובילה לספין-אאוט שנקרא Cache DNA.

חיסרון אחד של מערכת האחסון הזו הוא שלוקח מספר ימים להטמיע DNA לתוך חלקיקי הסיליקה. יתר על כן, הסרת ה-DNA מהחלקיקים דורשת חומצה הידרופלואורית, שעלולה להיות מסוכנת לעובדים המטפלים ב-DNA.

כדי להמציא חומרי אחסון חלופיים, בנאל החל לעבוד עם ג'ונסון וחברי המעבדה שלו. הרעיון שלהם היה להשתמש בסוג של פולימר המכונה thermoset מתכלה, המורכב מפולימרים היוצרים מוצק בעת חימום. החומר כולל גם חוליות ניתנות לפירוק שניתן לשבור בקלות, מה שמאפשר פירוק הפולימר בצורה מבוקרת.

"עם התרמוסטים הניתנים לפירוק, בהתאם לקשרים הניתנים לפירוק אנו מכניסים לתוכם, אנו יכולים לבחור כיצד אנו רוצים לפרק אותם", אומר ג'ונסון.

עבור פרויקט זה, החוקרים החליטו לייצר את הפולימר התרמו-קבוע שלהם מסטירן וצלב-לינקר, שיוצרים יחד תרמוסט דמוי-ענבר הנקרא פוליסטירן צולב. thermoset זה הוא גם הידרופובי מאוד, כך שהוא יכול למנוע מלחות להיכנס פנימה ולפגוע ב-DNA. כדי להפוך את התרמוסט מתכלה, מונומרים סטירן ו-crosslinkers עוברים קופולימר עם מונומרים הנקראים thionolactones. ניתן לשבור את הקישורים הללו על ידי טיפול בהם עם מולקולה הנקראת cysteamine.

מכיוון שסטירן הוא כל כך הידרופובי, החוקרים נאלצו להמציא דרך לפתות את ה-DNA – מולקולה הידרופלית עם מטען שלילי – לתוך הסטירן.

כדי לעשות זאת, הם זיהו שילוב של שלושה מונומרים שהם יכולים להפוך לפולימרים הממיסים DNA על ידי כך שהם עוזרים לו ליצור אינטראקציה עם סטירן. לכל אחד מהמונומרים יש תכונות שונות המשתפות פעולה כדי להוציא את ה-DNA מהמים לתוך הסטירן. שם, ה-DNA יוצר קומפלקסים כדוריים, עם DNA טעון במרכז וקבוצות הידרופוביות יוצרות שכבה חיצונית המקיימת אינטראקציה עם סטירן. כאשר מחומם, תמיסה זו הופכת לגוש דמוי זכוכית מוצק, המוטבע במתחמי DNA.

החוקרים כינו את השיטה שלהם T-REX (Thermoset-REinforced Xeropreservation). תהליך הטמעת ה-DNA לרשת הפולימר נמשך כמה שעות, אבל זה עשוי להתקצר עם אופטימיזציה נוספת, אומרים החוקרים.

כדי לשחרר את ה-DNA, החוקרים מוסיפים תחילה ציסטאמין, שמבקע את הקשרים המחזיקים את התרמוסט הפוליסטירן יחד, ומפרק אותו לחתיכות קטנות יותר. לאחר מכן, ניתן להוסיף חומר ניקוי בשם SDS כדי להסיר את ה-DNA מפוליסטירן מבלי לפגוע בו.

אחסון מידע

באמצעות פולימרים אלו הראו החוקרים שהם יכולים להכיל DNA באורך משתנה, מעשרות נוקלאוטידים ועד לגנום אנושי שלם (יותר מ-50,000 זוגות בסיסים). הם הצליחו לאחסן DNA המקודד את הכרזת האמנציפציה ואת הלוגו של MIT, בנוסף למוזיקת ​​הנושא מ"פארק היורה".

לאחר אחסון ה-DNA ולאחר מכן הסרתו, החוקרים רצפו אותו וגילו שלא הוצגו שגיאות, שהיא מאפיין קריטי בכל מערכת אחסון נתונים דיגיטליים.

החוקרים גם הראו שהפולימר התרמוסטי יכול להגן על DNA מפני טמפרטורות של עד 75 מעלות צלזיוס (167 מעלות פרנהייט). כעת הם עובדים על דרכים לייעל את תהליך ייצור הפולימרים ויצירתם לקפסולות לאחסון לטווח ארוך.

Cache DNA, חברה שהוקמה על ידי Banal and Bathe, עם ג'ונסון כחבר במועצה המייעצת המדעית, עובדת כעת על פיתוח נוסף של טכנולוגיית אחסון DNA. היישום המוקדם ביותר שהם רואים הוא אחסון גנומים לרפואה מותאמת אישית, והם גם צופים שהגנומים המאוחסנים הללו יכולים לעבור ניתוח נוסף ככל שטכנולוגיה טובה יותר תתפתח בעתיד.

"הרעיון הוא, למה שלא נשמר את הרשומה הראשית של החיים לנצח?" אומר בנאל. "עשר שנים או 20 שנה מהיום, כשהטכנולוגיה התקדמה הרבה יותר ממה שיכולנו לדמיין אי פעם היום, נוכל ללמוד עוד ועוד דברים. אנחנו עדיין בתחילת הדרך של הבנת הגנום ואיך הוא קשור למחלות".

המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע.



קישור לכתבת המקור – 2024-06-13 23:11:53

Facebook
Twitter
LinkedIn
Telegram
WhatsApp
Email
פרסומת
MAGNEZIX מגנזיקס

עוד מתחומי האתר