חוקרים ב-MIT הציגו פולימר המאחסן DNA בטמפרטורת החדר, עוקף את הצורך בהקפאה יקרה. פיתוח זה תומך באחסון בר-קיימא לטווח ארוך ובשליפה ללא נזקים של חומר גנטי ונתונים דיגיטליים כאחד. קרדיט: twoday.co.il.com
עם שיטת "T-REX" שלהם, DNA המוטמע בפולימר יכול לשמש לאחסון ארוך טווח של גנומים או נתונים דיגיטליים כגון תמונות ומוזיקה.
פולימר חדש שפותח על ידי MIT חוקרים מציעים התקדמות משמעותית באחסון DNA, ומספקים שימור בטמפרטורת החדר ללא עלויות האנרגיה הכרוכות בשיטות הקפאה מסורתיות. טכנולוגיה זו לא רק מאחסנת כמויות גדולות של נתונים ביעילות אלא גם מבטיחה שליפה קלה ו-DNA לא פגום, מה שהופך אותו לפתרון מבטיח לארכיון גנטי ודיגיטלי כאחד.
התקדמות בטכנולוגיית שימור DNA
בסרט "יורה פארק", חילצו מדענים DNA שהשתמר בענבר במשך מיליוני שנים, והשתמשו בו כדי ליצור אוכלוסייה של דינוזאורים שנכחדו זה מכבר.
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.
ניתן להשתמש בפולימר הזגוגי דמוי הענבר לאחסון ארוך טווח של DNA, כגון גנום אנושי שלם או קבצים דיגיטליים כגון תמונות. קרדיט: חדשות MIT; iStock
ייעול טכניקות שימור DNA
"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-12 ביוני 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.
חוקרי MIT המציאו דרך לכמוס את ה-DNA לתוך פולימר תרמוסט המכונה פוליסטירן צולב. לאחר שה-DNA מוטבע בפולימר, ניתן לשחררו שוב על ידי טיפול בפולימר עם ציסטאמין. קרדיט: באדיבות החוקרים
חקר שיטות קידוד DNA חדשות
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 הידרופלואור חוּמצָהשעלול להיות מסוכן לעובדים המטפלים ב-DNA.
עיצוב פולימרים חדשני לאחסון 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 קישורים ניתנים לפירוק הניתנים לשבירה בקלות, המאפשרים פירוק של הפולימר בצורה מבוקרת.
"עם התרמוסטים הניתנים לפירוק, בהתאם לקשרים הניתנים לפירוק אנו מכניסים אליהם, אנו יכולים לבחור כיצד אנו רוצים לפרק אותם", אומר ג'ונסון.
עבור פרויקט זה, החוקרים החליטו לייצר את הפולימר התרמו-מגמיש שלהם מסטירן וצלב-לינקר, שיוצרים יחד תרמוסט דמוי-ענבר הנקרא cross-linked פוליסטירן. 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.
שיטת T-REX: גישה חדשה לאחסון DNA
מכיוון שהסטירן 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.
עתיד טכנולוגיית אחסון DNA
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 כי הפולימר התרמוסיסט יכול להגן על DNA מפני טמפרטורות של עד 75 מעלות צֶלסִיוּס (167 מעלות פרנהייט). כעת הם עובדים על דרכים לייעל את תהליך ייצור הפולימרים ויצירתם לקפסולות לאחסון לטווח ארוך.
השלכות על רפואה מותאמת אישית ומחקר עתידי
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 היום, נוכל ללמוד עוד ועוד דברים. אנחנו עדיין בתחילת הדרך של הבנת הגנום וכיצד הוא קשור למחלות".
המחקר מומן על ידי הקרן הלאומית למדע.
