Met de ‘T-REX’-methode kunnen wetenschappers DNA dat is ingebed in een speciaal polymeer gebruiken om genomen of digitale gegevens – zoals foto’s en muziek – langdurig op te slaan.
Heb je de kaskraker Jurassic Park gezien? Daarin halen wetenschappers DNA uit barnsteen dat miljoenen jaren oud is en gebruiken dat om uitgestorven dinosaurussen tot leven te wekken. Deels geïnspireerd door die film hebben onderzoekers nu een glasachtig, barnsteenachtig polymeer ontwikkeld. Dit polymeer kan worden gebruikt voor het langdurig opslaan van DNA, of het nu gaat om volledige menselijke genomen of digitale bestanden zoals foto’s.
DNA
Even terug naar het begin. DNA is een zeer stabiel molecuul. En daarom is dit bij uitstek geschikt voor het opslaan van enorme hoeveelheden informatie, inclusief digitale gegevens. In digitale opslagsystemen wordt tekst, foto’s en andere informatie gecodeerd als een reeks van nullen en enen. Dezelfde informatie kan worden omgezet in DNA door gebruik te maken van de vier nucleotiden A, T, G en C die de genetische code vormen. Bijvoorbeeld, G en C kunnen worden gebruikt om 0 te vertegenwoordigen, terwijl A en T 1 vertegenwoordigen. Wat zo bijzonder is aan DNA, is dat het in staat is om digitale informatie op zeer hoge dichtheid op te slaan. Theoretisch gezien zou een koffiemok gevuld met DNA alle data ter wereld kunnen bevatten.
Bevriezen
De meeste bestaande methoden om DNA op te slaan, vereisen alleen extreem lage temperaturen. Dit kost veel energie en is bovendien niet praktisch in veel delen van de wereld. “Het hoofdzakelijke middel om DNA te bewaren is door het te bevriezen,” legt onderzoeker James Banal uit. “Maar dit is erg duur en bovendien niet schaalbaar.” Daarom gingen de onderzoekers op zoek naar een nieuwe bewaarmethode. En die hebben ze, mede dankzij de film Jurrasic Park, gevonden.
Opslagsysteem
In 2021 bedacht Banal al samen met zijn collega’s een methode om DNA op te slaan in silica-deeltjes, die gemerkt konden worden met tags om hun inhoud te onthullen. Een nadeel van dit opslagsysteem is dat het enkele dagen kost om het DNA in de silica-deeltjes te integreren. Bovendien vereist het proces om het DNA uit de deeltjes te halen het gebruik van waterstoffluoride, wat gevaarlijk kan zijn voor de mensen die met het DNA werken. Daarom gingen de onderzoekers op zoek naar alternatieve opslagmaterialen. Hun idee was om een soort polymeer te gebruiken dat bekend staat als een degraderende thermoharder. Deze polymeren worden vast bij verhitting en bevatten breekbare verbindingen die eenvoudig kunnen worden verbroken, waardoor het polymeer gecontroleerd wordt afgebroken. “Met deze afbreekbare thermoharders kunnen we, afhankelijk van de specifieke breekbare verbindingen die we gebruiken, selectief bepalen hoe we ze willen afbreken,” aldus onderzoeker Jeremiah Johnson.
T-REX
Voor dit project kozen de onderzoekers ervoor om een thermohardend polymeer te maken van styreen en een cross-linker. Samen vormen deze materialen een soort barnsteen-achtig polymeer – een namaak-barnsteen. Dit polymeer is heel goed in het tegenhouden van water, wat betekent dat het voorkomt dat vocht binnendringt en het DNA beschadigt. Om het polymeer afbreekbaar te maken, voegden de onderzoekers monomeren toe die thionolactonen worden genoemd. Deze kunnen worden afgebroken door ze te behandelen met een stof genaamd cysteamine. De onderzoekers gaven hun methode de naam T-REX (Thermoset-REinforced Xeropreservation). Het proces om DNA in het polymeernetwerk in te bedden neemt enkele uren in beslag, maar volgens de onderzoekers kan dit met verdere verbeteringen worden verkort.
Menselijk genoom
De onderzoekers demonstreerden dat ze met behulp van deze polymeren DNA van uiteenlopende lengtes konden insluiten, variërend van tientallen nucleotiden tot een compleet menselijk genoom (meer dan 50.000 basenparen). Ze slaagden er ook in om onder andere DNA op te slaan met daarin de themamuziek van Jurassic Park gecodeerd. Bovendien toonden ze aan dat het DNA gemakkelijk uit het polymeer verwijderd kan worden zonder het te beschadigen. Dit is een essentiële eigenschap van elk digitaal gegevensopslagsysteem. Ten slotte bewezen de onderzoekers dat het thermohardende polymeer DNA kan beschermen tegen temperaturen tot 75 graden Celsius. Momenteel werken ze aan methoden om het proces van het produceren van deze polymeren te optimaliseren en ze te vormen tot capsules voor langdurige opslag.
Doeltreffend
De studie van de onderzoekers laat zien dat het nieuwe barnsteenachtige polymeer een effectief opslagsysteem is. Het kan doeltreffend DNA bewaren bij kamertemperatuur terwijl het tegelijkertijd de DNA-moleculen beschermt tegen schade veroorzaakt door hitte of water. “Ik geloof dat onze nieuwe bewaarmethode een technologie kan zijn die de toekomst van het opslaan van digitale informatie op DNA kan sturen,” concludeert Banal.
Momenteel zetten de onderzoekers hun werk voort. Zo willen ze hun DNA-opslagtechnologie verder doorontwikkelen. Hun eerste toepassing is gericht op het opslaan van menselijke genomen. Ze verwachten dat deze opgeslagen genomen in de toekomst verder geanalyseerd kunnen worden, naarmate er steeds betere technologieën worden ontwikkeld. “Waarom zouden we niet de meest volledige versie van het menselijk genoom voor altijd bewaren?” Vraagt Banal zeg hardop af. “In de komende tien of twintig jaar, wanneer technologie veel geavanceerder is dan nu, kunnen we veel meer ontdekken. We staan nog maar aan het begin van ons begrip van het genoom en zijn relatie tot ziekten.”
