Científicos preservan ADN en un polímero similar al ámbar
Con el nuevo método, bautizado como "T-REX", el ADN incrustado en el polímero podría usarse para el almacenamiento a largo plazo de genomas o datos digitales, como fotos y música.
Por Anne Trafton / MIT News
El polímero vítreo, similar al ámbar, puede utilizarse para el almacenamiento a largo plazo de ADN, como genomas humanos completos, y archivos digitales, como fotos. Imagen generada con Copilot
En la película Jurassic Park, dirigida por el cineasta estadounidense Steven Spielberg y estrenada en 1993, los científicos extrajeron ADN que se había conservado en ámbar durante millones de años y lo utilizaron para crear una población de dinosaurios extintos hace millones de años.
Inspirados en parte por esta película, los investigadores del MIT han desarrollado un polímero vítreo similar al ámbar que se puede utilizar para el almacenamiento a largo plazo de ADN, ya sean genomas humanos completos o archivos digitales, como fotografías.
La mayoría de los métodos actuales para almacenar ADN requieren temperaturas bajo cero, por lo que consumen una gran cantidad de energía y no son factibles en muchas partes del mundo. Por el contrario, el nuevo polímero similar al ámbar puede almacenar ADN a temperatura ambiente mientras protege las moléculas del daño causado por el calor o el agua.
La banda sonora de Jurassic Park, guardada en secuencias de ADN y conservada en ámbar artificial
Los investigadores han demostrado que podían usar este polímero para almacenar secuencias de ADN que codifican el tema musical de Jurassic Park, así como un genoma humano completo. También han confirmado que el ADN se puede eliminar fácilmente del polímero sin dañarlo.
"Congelar el ADN es la forma número uno para preservar esta molécula, pero es muy cara y no es escalable —advierte ames Banal, expostdoctorado del MIT. Y añade—: Creo que nuestro nuevo método de preservación va a ser una tecnología que puede impulsar el futuro del almacenamiento de información digital en el ADN".
Banal y Jeremiah Johnson, profesor de química A. Thomas Geurtin en el MIT, son los supervisores del estudio, que ha sido publicado en el Journal of the American Chemical Society. La expostdoc del MIT Elizabeth Prince y el postdoc del MIT Ho Fung Cheng son los autores la mayor parte del trabajo de investigación.
Una taza de café llena de ADN podría almacenar todos los datos del mundo
El ADN, una molécula muy estable, es muy adecuada para almacenar cantidades masivas de información, incluidos datos digitales. Los sistemas de almacenamiento digital codifican texto, fotos y otro tipo de información como una serie de ceros y unos. Esta misma información se puede codificar en el ADN utilizando los cuatro nucleótidos que componen el código genético: A (adenina), T (timina), G (guanina) y C (citosina). Por ejemplo, G y C podrían usarse para representar el 0, mientras que A y T representarían el 1.
El ADN ofrece una forma de almacenar esta información digital a una densidad muy alta: en teoría, una taza de café llena de ADN podría almacenar todos los datos del mundo. El ADN también es muy estable y relativamente fácil de sintetizar y secuenciar.
En 2021, Banal y su asesor postdoctoral, Mark Bathe, profesor de ingeniería biológica del MIT, desarrollaron una forma de almacenar ADN en partículas de sílice, que podrían etiquetarse con etiquetas que revelaran el contenido de las partículas. Ese trabajo condujo a una spin-out del MIT llamada Cache DNA.
Una desventaja de ese sistema de almacenamiento es que se necesitan varios días para incrustar el ADN en las partículas de sílice. Además, la eliminación del ADN de las partículas requiere ácido fluorhídrico, que puede ser peligroso para los trabajadores que manipulan el ADN.
Un polímero que se degrade de forma controlada, don dañar el ADN
Para encontrar materiales de almacenamiento alternativos, Banal comenzó a trabajar con Johnson y los miembros de su laboratorio. Su idea era utilizar un tipo de polímero conocido como termoestable degradable, que consiste en polímeros que forman un sólido cuando se calientan. El material también incluye eslabones escindibles que se pueden romper fácilmente, lo que permite que el polímero se degrade de forma controlada.
"Con estos termoestables deconstruibles, dependiendo de qué enlaces escindibles les pongamos, podemos elegir cómo queremos degradarlos", afirma Johnson.
Para este proyecto, los investigadores decidieron fabricar su polímero termoestable a partir de estireno y un reticulante, que juntos forman un termoestable de aspecto ámbar llamado poliestireno reticulado. Este termoestable es también muy hidrófobo, por lo que puede impedir que la humedad penetre y dañe el ADN. Para que el termoestable sea degradable, los monómeros de estireno y los reticulantes se copolimerizan con monómeros llamados tionolactonas. Estos enlaces pueden romperse tratándolos con una molécula llamada cisteamina.
Como el estireno es tan hidrófobo, los investigadores tuvieron que idear una forma de atraer al ADN —una molécula hidrófila con carga negativa— hacia el estireno.
Los investigadores han bautizado su método de incrustación del ADN como T-REX
Para ello, identificaron una combinación de tres monómeros que podían convertir en polímeros que disolvieran el ADN y lo ayudaran a interactuar con el estireno. Cada uno de los monómeros tiene características diferentes que cooperan para sacar el ADN del agua y llevarlo al estireno. Allí, el ADN forma complejos esféricos, con el ADN cargado en el centro y los grupos hidrófobos formando una capa exterior que interactúa con el estireno. Cuando se calienta, esta solución se convierte en un bloque sólido similar al vidrio, incrustado con complejos de ADN.
Los investigadores bautizaron su método como T-REX (Thermoset-REinforced Xeropreservation). El proceso de incrustación del ADN en la red polimérica dura unas horas, pero podría acortarse con una mayor optimización, afirman los investigadores.
Para liberar el ADN, los investigadores añaden primero cisteamina, que rompe los enlaces que mantienen unido el termoestable de poliestireno, rompiéndolo en trozos más pequeños. A continuación, se añade un detergente, conocido como SDS, para eliminar el ADN del poliestireno sin dañarlo.
Almacenamiento masivo de información
Utilizando estos polímeros, los investigadores demostraron que podían encapsular ADN de longitud variable, desde decenas de nucleótidos hasta un genoma humano completo (más de 50.000 pares de bases). Pudieron almacenar el ADN que codifica la Proclamación de Emancipación —una proclama presidencial y una orden ejecutiva emitida por el presidente de los Estados Unidos Abraham Lincoln el 1 de enero de 1863— y el logotipo del MIT, además del tema musical que abre el film Jurassic Park.
Después de almacenar el ADN y luego extraerlo, los investigadores lo secuenciaron y encontraron que no se habían introducido errores, lo cual es una característica crítica de cualquier sistema de almacenamiento de datos digitales.
Los investigadores también demostraron que el polímero termoestable puede proteger el ADN de temperaturas de hasta 75 ºC. Ahora están trabajando en maneras de agilizar el proceso de fabricación de los polímeros y darles forma de cápsulas para su almacenamiento a largo plazo.
Cache DNA, una empresa creada por Banal y Bathe, con Johnson como miembro del consejo asesor científico, trabaja ahora en el desarrollo de la tecnología de almacenamiento de ADN. La primera aplicación que prevén es el almacenamiento de genomas para la medicina personalizada, y también anticipan que estos genomas almacenados podrían someterse a nuevos análisis a medida que se desarrolle una tecnología mejor en el futuro.
"La idea es la siguiente: ¿por qué no conservamos para siempre el registro maestro de la vida?— se pregunta Banal. Y concluye—: Dentro de diez o veinte años, cuando la tecnología haya avanzado mucho más de lo que hoy podríamos imaginar, podríamos aprender más y más cosas. Aún estamos en la infancia de la comprensión del genoma y su relación con las enfermedades". ◾️
Artículo publicado con el permiso de MIT News -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Elisabeth Prince, Ho Fung Cheng, James L. Banal, and Jeremiah A. Johnson. Reversible Nucleic Acid Storage in Deconstructable Glassy Polymer Networks. Journal of the American Chemical Society (2024). DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.4c01925
