麻省理工學院研究人員開發的一種新型聚合物在DNA 儲存方面取得了重大進展，它能在室溫下保存DNA，而無需傳統冷凍方法所需的能源成本。這種技術不僅能有效地儲存大量數據，還能確保DNA 易於檢索且不受損壞，因此是一種很有前景的基因和數位存檔解決方案。

DNA 保存技術的進步

在電影《侏羅紀公園》中，科學家提取了在琥珀中保存了數百萬年的DNA，並用它創造了早已滅絕的恐龍族群。

麻省理工學院的研究人員部分受這部電影的啟發，開發出一種玻璃狀、類似琥珀的聚合物，可用於長期儲存DNA，無論是整個人類基因組還是照片等數位檔案。

目前大多數儲存DNA 的方法都需要冷凍溫度，因此需要消耗大量能源，在世界上許多地方都不可行。相較之下，新型琥珀狀聚合物可以在室溫下儲存DNA，同時保護分子不受熱或水的破壞。

研究人員證明，他們可以用這種聚合物儲存編碼《侏羅紀公園》主題音樂的DNA 序列以及整個人類基因組。他們還證明，DNA 可以輕鬆地從聚合物中取出，而不會對其造成損壞。

簡化DNA 保存技術

前麻省理工學院博士後詹姆斯-巴納爾（James Banal）說：”冷凍DNA 是保存DNA 的首要方法，但這種方法非常昂貴，而且無法擴展。我認為，我們的新保存方法將成為一種可能推動未來在DNA 上儲存數位資訊的技術”。

巴納爾和麻省理工學院A. Thomas Geurtin化學教授傑裡邁亞-約翰遜（Jeremiah Johnson）是這項研究的資深作者，他們的研究成果於6月12日發表在《美國化學學會學報》（ Journal of the American Chemical Society）上。麻省理工學院前博士後Elizabeth Prince 和麻省理工學院博士後Ho Fung Cheng 是論文的主要作者。

麻省理工學院的研究人員設計出了一種將DNA 封裝到一種名為交聯聚苯乙烯的熱固性聚合物中的方法。 DNA 被嵌入聚合物後，可以透過用半胱胺處理聚合物再次釋放出來。圖片來源：研究人員提供

探索新的DNA 編碼方法

DNA 是一種非常穩定的分子，非常適合儲存海量訊息，包括數位資料。數位儲存系統將文字、照片和其他類型的信息編碼為一系列0 和1。同樣的訊息可以透過構成遺傳密碼的四種核苷酸編碼到DNA 中：例如，G 和C 可用來表示0，而A 和T 則表示1。

DNA 提供了一種高密度儲存數位資訊的方法：從理論上講，一個裝滿DNA 的咖啡杯就可以儲存全世界的資料。 DNA 也非常穩定，合成和排序也相對容易。

2021 年，巴納爾和他的博士後導師、麻省理工學院生物工程教授馬克-巴特（Mark Ba​​the）開發出一種將DNA 儲存在二氧化矽顆粒中的方法，這些顆粒可以貼上標籤，顯示顆粒中的內容。這項工作促成了名為”Cache DNA”的衍生公司的誕生。

這種儲存系統的一個缺點是，將DNA 嵌入二氧化矽顆粒需要幾天的時間。此外，從顆粒中移除DNA 需要氫氟酸，而氫氟酸會對處理DNA 的工人造成危害。

用於DNA 儲存的創新聚合物設計

為了找到替代儲存材料，巴納爾開始與約翰遜及其實驗室成員合作。他們的想法是使用一種稱為可降解熱固性的聚合物，這種聚合物在加熱時會形成固體。這種材料還包括易於斷裂的可裂解鏈節，使聚合物能夠以可控的方式降解。

約翰遜說：”有了這些可解構熱固性塑料，根據我們在其中添加的可裂解鍵，我們可以選擇如何降解它們。”

在這個計畫中，研究人員決定用苯乙烯和一種交聯劑來製造熱固性聚合物，它們共同形成了一種琥珀色的熱固性聚合物–交聯聚苯乙烯。這種熱固性聚合物還具有很強的疏水性，因此可以防止水分進入並破壞DNA。為了使這種熱固性物質可以降解，苯乙烯單體和交聯劑與稱為亞硫酰內酯的單體共聚。透過使用一種名為半胱胺的分子對其進行處理，可以切斷這些連接。

T-REX 方法：DNA 儲存的新方法

由於苯乙烯非常疏水，研究人員必須想出一個方法來誘導DNA（一種親水性、帶負電荷的分子）進入苯乙烯。

為此，他們找到了三種單體的組合，並將其轉化為聚合物，透過幫助DNA 與苯乙烯相互作用來溶解DNA。每種單體都有不同的特性，它們通力合作，使DNA 離開水進入苯乙烯。在那裡，DNA 形成球形複合物，帶電的DNA 位於中心，疏水基團形成與苯乙烯相互作用的外層。加熱後，這種溶液會變成玻璃狀的固體塊，其中嵌入DNA 複合物。

研究人員將他們的方法命名為T-REX（熱固性強化濕保存）。研究人員說，將DNA嵌入聚合物網路的過程需要幾個小時，但隨著進一步優化，這個時間可能會縮短。

為了釋放DNA，研究人員首先加入半胱胺，半胱胺會裂解將聚苯乙烯熱固性材料連接在一起的鍵，將其分解成小塊。然後，再加入一種名為SDS 的洗滌劑，這樣就能在不損壞聚苯乙烯的情況下將DNA 從聚苯乙烯中分離出來。

DNA 儲存技術的未來

研究人員利用這些聚合物證明，他們可以封裝不同長度的DNA，從數十個核苷酸到整個人類基因組（超過50,000 個鹼基對）。除了《侏羅紀公園》的主題音樂外，他們還能儲存編碼《解放奴隸宣言》和麻省理工學院標誌的DNA。

在對DNA 進行儲存和移除之後，研究人員對其進行了測序，發現沒有引入任何錯誤，這是任何數位資料儲存系統的關鍵特徵。

研究人員也發現，這種熱固性聚合物可以在高達攝氏75度（167華氏度）的溫度下保護DNA。目前，他們正在研究如何簡化聚合物的製作過程，並將其製成膠囊，以便長期儲存。

對個人化醫療和未來研究的影響

Cache DNA 是由Banal 和Bathe 創辦的公司，Johnson 是該公司科學顧問委員會的成員。他們設想的最早應用是儲存用於個人化醫療的基因組，他們也預計，隨著未來更好技術的開發，這些儲存的基因組可能會被進一步分析。

「我們的想法是，為什麼不永遠保存生命的主記錄呢？巴納爾說。」10年或20年後，當科技的進步遠遠超出我們今天的想像時，我們可以了解到越來越多的東西。我們對基因組及其與疾病的關係的了解仍處於起步階段。 “

編譯來源：ScitechDaily