En la película “Parque Jurásico”, 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 mucho tiempo.
Inspirándose en parte en esa película, los investigadores del MIT han desarrollado un polímero vidrioso, parecido al ámbar, que puede utilizarse 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 viables en muchas partes del mundo. Por el contrario, el nuevo polímero de color ámbar puede almacenar ADN a temperatura ambiente y al mismo tiempo proteger las moléculas del daño causado por el calor o el agua.
Los investigadores demostraron que podían utilizar este polímero para almacenar secuencias de ADN que codifican el tema musical de Jurassic Park, así como un genoma humano completo. También demostraron que el ADN se puede eliminar fácilmente del polímero sin dañarlo.
"Congelar el ADN es la forma número uno de preservarlo, pero es muy costoso y no es escalable", dice James Banal, ex postdoctorado del MIT. "Creo que nuestro nuevo método de preservación será 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 autores principales del estudio. publicado ayer en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense. La ex postdoctorada del MIT Elizabeth Prince y el postdoctorado del MIT Ho Fung Cheng son los autores principales del artículo.
Capturando ADN
El ADN, una molécula muy estable, es muy adecuado para almacenar cantidades masivas de información, incluidos datos digitales. Los sistemas de almacenamiento digital codifican texto, fotografías y otro tipo de información como una serie de 0 y 1. Esta misma información se puede codificar en el ADN utilizando los cuatro nucleótidos que componen el código genético: A, T, G y C. Por ejemplo, G y C podrían usarse para representar el 0, mientras que A y T representan el 1.
El ADN ofrece una manera de almacenar esta información digital a muy alta densidad: 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 un spin-out llamado 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, para eliminar el ADN de las partículas se requiere ácido fluorhídrico, que puede ser peligroso para los trabajadores que manipulan el ADN.
Para idear materiales de almacenamiento alternativos, Banal comenzó a trabajar con Johnson y 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 enlaces escindibles que se pueden romper fácilmente, lo que permite que el polímero se degrade de forma controlada.
"Con estos termoestables deconstruibles, dependiendo de los enlaces escindibles que les pongamos, podemos elegir cómo queremos degradarlos", dice Johnson.
Para este proyecto, los investigadores decidieron fabricar su polímero termoestable a partir de estireno y un reticulante, que juntos forman un termoestable de color ámbar llamado poliestireno reticulado. Este termoestable también es muy hidrofóbico, por lo que puede evitar que la humedad entre y dañe el ADN. Para hacer que el termoestable sea degradable, los monómeros de estireno y los reticulantes se copolimerizan con monómeros llamados tionolactonas. Estos vínculos se pueden romper tratándolos con una molécula llamada cisteamina.
Debido a que el estireno es tan hidrófobo, los investigadores tuvieron que encontrar una manera de atraer el ADN (una molécula hidrófila y cargada negativamente) hacia el estireno.
Para ello, identificaron una combinación de tres monómeros que podrían convertir en polímeros que disuelven el ADN ayudándolo 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 ADN cargado en el centro y grupos hidrófobos que forman 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 denominaron su método T-REX (Xeropreservación reforzada con termoestable). El proceso de incrustar ADN en la red polimérica lleva algunas horas, pero podría acortarse con una mayor optimización, dicen los investigadores.
Para liberar el ADN, los investigadores primero añaden cisteamina, que rompe los enlaces que mantienen unido el poliestireno termoestable, rompiéndolo en pedazos más pequeños. Luego, se puede agregar un detergente llamado SDS para eliminar el ADN del poliestireno sin dañarlo.
Almacenamiento 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 ADN que codifica la Proclamación de Emancipación y el logotipo del MIT, además del tema musical de “Jurassic Park”.
Después de almacenar el ADN y luego extraerlo, los investigadores lo secuenciaron y descubrieron 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 grados Celsius (167 grados Fahrenheit). Ahora están trabajando en formas de agilizar el proceso de fabricación de polímeros y de convertirlos en cápsulas para su almacenamiento a largo plazo.
Cache DNA, una empresa fundada por Banal y Bathe, con Johnson como miembro del consejo asesor científico, está trabajando ahora en un mayor desarrollo de la tecnología de almacenamiento de ADN. La primera aplicación que imaginan es almacenar genomas para la medicina personalizada, y también anticipan que estos genomas almacenados podrían someterse a más análisis a medida que se desarrolle mejor tecnología en el futuro.
"La idea es, ¿por qué no preservamos el registro maestro de la vida para siempre?" Banal dice. “Dentro de diez o veinte años, cuando la tecnología haya avanzado mucho más de lo que podríamos imaginar hoy, podremos aprender más y más cosas. Todavía estamos en la infancia en la comprensión del genoma y cómo se relaciona con la enfermedad”.
La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias.
