麻省理工学院研究人员开发的一种新型聚合物在 DNA 储存方面取得了重大进展，它能在室温下保存 DNA，而无需传统冷冻方法所需的能源成本。这种技术不仅能有效地存储大量数据，还能确保 DNA 易于检索和不受损坏，因此是一种很有前途的基因和数字存档解决方案。
DNA 保存技术的进步
在电影《侏罗纪公园》中，科学家提取了在琥珀中保存了数百万年的 DNA，并用它创造了早已灭绝的恐龙种群。
麻省理工学院的研究人员部分受这部电影的启发，开发出一种玻璃状、类似琥珀的聚合物，可用于长期存储 DNA，无论是整个人类基因组还是照片等数字文件。
目前大多数储存 DNA 的方法都需要冷冻温度，因此需要消耗大量能源，在世界上许多地方都不可行。相比之下，新型琥珀状聚合物可以在室温下储存 DNA，同时保护分子不受热量或水的破坏。
研究人员证明，他们可以用这种聚合物存储编码《侏罗纪公园》主题音乐的 DNA 序列以及整个人类基因组。他们还证明，DNA 可以很容易地从聚合物中取出，而不会对其造成损坏。
简化 DNA 保存技术
前麻省理工学院博士后詹姆斯-巴纳尔（James Banal）说："冷冻 DNA 是保存 DNA 的首要方法，但这种方法非常昂贵，而且无法扩展。我认为，我们的新保存方法将成为一种可能推动未来在 DNA 上存储数字信息的技术"。
巴纳尔和麻省理工学院A. Thomas Geurtin化学教授杰里迈亚-约翰逊（Jeremiah Johnson）是这项研究的资深作者，他们的研究成果于6月12日发表在《美国化学学会学报》（Journal of the American Chemical Society）上。麻省理工学院前博士后 Elizabeth Prince 和麻省理工学院博士后 Ho Fung Cheng 是论文的主要作者。
麻省理工学院的研究人员设计出了一种将 DNA 封装到一种名为交联聚苯乙烯的热固性聚合物中的方法。DNA 被嵌入聚合物后，可以通过用半胱胺处理聚合物再次释放出来。图片来源：研究人员提供
探索新的 DNA 编码方法
DNA 是一种非常稳定的分子，非常适合存储海量信息，包括数字数据。数字存储系统将文本、照片和其他类型的信息编码为一系列 0 和 1。同样的信息可以通过构成遗传密码的四种核苷酸编码到 DNA 中：例如，G 和 C 可用来表示 0，而 A 和 T 则表示 1。
DNA 提供了一种高密度存储数字信息的方法：从理论上讲，一个装满 DNA 的咖啡杯就可以储存全世界的数据。DNA 还非常稳定，合成和排序也相对容易。
2021 年，巴纳尔和他的博士后导师、麻省理工学院生物工程教授马克-巴特（Mark Bathe）开发出一种将 DNA 储存在二氧化硅颗粒中的方法，这些颗粒可以贴上标签，显示颗粒中的内容。这项工作促成了名为"Cache DNA"的衍生公司的诞生。
这种储存系统的一个缺点是，将 DNA 嵌入二氧化硅颗粒需要几天的时间。此外，从颗粒中移除 DNA 需要氢氟酸，而氢氟酸会对处理 DNA 的工人造成危害。
用于 DNA 存储的创新聚合物设计
为了找到替代存储材料，巴纳尔开始与约翰逊及其实验室成员合作。他们的想法是使用一种被称为可降解热固性的聚合物，这种聚合物在加热时会形成固体。这种材料还包括易于断裂的可裂解链节，使聚合物能够以可控的方式降解。
约翰逊说："有了这些可解构热固性塑料，根据我们在其中加入的可裂解键，我们可以选择如何降解它们。"
在这个项目中，研究人员决定用苯乙烯和一种交联剂来制造热固性聚合物，它们共同形成了一种琥珀色的热固性聚合物--交联聚苯乙烯。这种热固性聚合物还具有很强的疏水性，因此可以防止水分进入并破坏 DNA。为了使这种热固性物质可以降解，苯乙烯单体和交联剂与称为亚硫酰内酯的单体共聚。通过使用一种名为半胱胺的分子对其进行处理，可以切断这些连接。
T-REX 方法：DNA 储存的新方法
由于苯乙烯非常疏水，研究人员必须想出一种方法来诱导 DNA（一种亲水性、带负电荷的分子）进入苯乙烯。
为此，他们找到了三种单体的组合，并将其转化为聚合物，通过帮助 DNA 与苯乙烯相互作用来溶解 DNA。每种单体都有不同的特性，它们通力合作，使 DNA 离开水进入苯乙烯。在那里，DNA 形成球形复合物，带电的 DNA 位于中心，疏水基团形成与苯乙烯相互作用的外层。加热后，这种溶液会变成玻璃状的固体块，其中嵌入 DNA 复合物。
研究人员将他们的方法命名为 T-REX（热固性强化湿保存）。研究人员说，将DNA嵌入聚合物网络的过程需要几个小时，但随着进一步优化，这个时间可能会缩短。
为了释放 DNA，研究人员首先加入半胱胺，半胱胺会裂解将聚苯乙烯热固性材料连接在一起的键，将其分解成小块。然后，再加入一种名为 SDS 的洗涤剂，这样就能在不损坏聚苯乙烯的情况下将 DNA 从聚苯乙烯中分离出来。
DNA 存储技术的未来
研究人员利用这些聚合物证明，他们可以封装不同长度的 DNA，从几十个核苷酸到整个人类基因组（超过 50000 个碱基对）。除了《侏罗纪公园》的主题音乐外，他们还能存储编码《解放奴隶宣言》和麻省理工学院徽标的 DNA。
在对 DNA 进行存储和移除之后，研究人员对其进行了测序，发现没有引入任何错误，这是任何数字数据存储系统的关键特征。
研究人员还发现，这种热固性聚合物可以在高达 75摄氏度（167华氏度）的温度下保护 DNA。目前，他们正在研究如何简化聚合物的制作过程，并将其制成胶囊，以便长期储存。
对个性化医疗和未来研究的影响
Cache DNA 是由 Banal 和 Bathe 创办的一家公司，Johnson 是该公司科学顾问委员会的成员。他们设想的最早应用是存储用于个性化医疗的基因组，他们还预计，随着未来更好技术的开发，这些存储的基因组可能会被进一步分析。
"我们的想法是，为什么不永远保存生命的主记录呢？巴纳尔说。"10年或20年后，当科技的进步远远超出我们今天的想象时，我们可以了解到越来越多的东西。我们对基因组及其与疾病的关系的了解还处于起步阶段。"
编译来源：ScitechDaily