En la película “Parque Jurásico”, los científicos extrajeron ADN que se había conservado en ámbar durante millones de años y lo utilizaron para crear un grupo de dinosaurios extintos hace mucho tiempo.
Inspirándose en parte en esa película, investigadores del MIT han desarrollado un polímero vidrioso similar al ámbar que puede usarse para el almacenamiento a largo plazo de ADN, ya sea el genoma humano completo o archivos digitales como fotografías.
La mayoría de los métodos actuales de almacenamiento de ADN requieren temperaturas bajo cero, por lo que consumen mucha energía y son inviables 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.
Los investigadores han demostrado que pueden utilizar este polímero para almacenar las secuencias de ADN que codifican el tema musical de Jurassic Park, así como todo el genoma humano. También demostraron que el ADN se puede eliminar fácilmente del polímero sin dañarlo.
«Congelar el ADN es la primera forma de preservarlo, pero es muy costoso y no escalable», dice James Bagnall, ex investigador postdoctoral en el MIT. «Creo que nuestro nuevo método de preservación será una tecnología que puede liderar el futuro del almacenamiento de información digital en el ADN».
Bagnall y Jeremiah Johnson, profesor de química Thomas Gurtin en el MIT, son los autores principales del estudio, que fue publicado en la revista Revista de la Sociedad Química Estadounidense. Elizabeth Prince, ex investigadora postdoctoral del MIT, y Hu-Fong Cheng, investigador postdoctoral del MIT, son los autores principales de este artículo.
captura de ADN
El ADN, una molécula extremadamente estable, es muy adecuado para almacenar grandes cantidades de información, incluidos datos digitales. Los sistemas de almacenamiento digital codifican texto, imágenes y otros tipos de información como una cadena de 0 y 1. Esta misma información puede codificarse en el ADN utilizando los cuatro nucleótidos que componen el código genético: A, T, G y C. Por ejemplo, G y C se pueden usar para representar 0, mientras que A y T representan 1.
El ADN proporciona una manera 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 Bath, profesor de ingeniería biológica en el MIT, desarrollaron una forma de almacenar ADN en partículas de sílice, que pueden etiquetarse con marcadores que revelan el contenido de las partículas. Este trabajo dio origen a una rama llamada Cache DNA.
Una desventaja de este sistema de almacenamiento es que se necesitan varios días para incorporar el ADN a 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 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 biodegradable, 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 manera controlada.
«Con estos termoestables escindibles, dependiendo de los enlaces escindibles que les coloquemos, podemos elegir cómo queremos descomponerlos», dice Johnson.
En este proyecto, los investigadores decidieron fabricar un polímero termoestable a partir de estireno y un reticulante, que juntos forman un material termoestable similar al ámbar llamado poliestireno reticulado. Este termoplástico también es muy hidrofóbico, por lo que puede evitar que la humedad entre y dañe el ADN. Para hacer que el termoestable sea biodegradable, los monómeros de estireno se polimerizan y se reticulan con monómeros llamados tionolactona. Estos enlaces se pueden romper tratándolos con una molécula llamada cisteamina.
Debido a que el estireno es hidrofóbico, los investigadores tuvieron que encontrar una manera de atraer el ADN, una molécula hidrofílica cargada negativamente, al estireno.
Para ello, identificaron un grupo de tres monómeros que podrían convertir en polímeros que disuelven el ADN ayudándolo a reaccionar con el estireno. Cada uno de los monómeros tiene características diferentes que cooperan para sacar el ADN del agua al estireno. Allí, el ADN forma complejos esféricos, con el ADN cargado en el centro y grupos hidrofóbicos formando una capa exterior que interactúa con el estireno. Cuando se calienta, esta solución se convierte en una masa sólida, parecida al vidrio, incrustada de complejos de ADN.
Los investigadores llamaron a su método T-REX (conservación térmica mejorada por calor). El proceso de integración del ADN en la red polimérica lleva unas horas, pero podría acortarse con una mayor optimización, afirman los investigadores.
Para editar el ADN, los investigadores primero añaden cisteamina, que rompe los enlaces que mantienen unido el poliestireno termoplástico y lo rompe en pedazos más pequeños. A continuación, se puede añadir un detergente llamado SDS para eliminar el ADN del poliestireno sin dañarlo.
Almacenamiento de información
Utilizando estos polímeros, los investigadores han demostrado que son capaces de encapsular ADN de diversas longitudes, desde decenas de nucleótidos hasta todo el genoma humano (más de 50.000 pares de bases). Pudieron almacenar el código de ADN de la Proclamación de Emancipación y el logotipo del MIT, así como el tema musical de la película «Jurassic Park».
Después de almacenar el ADN y luego extraerlo, los investigadores lo secuenciaron y descubrieron que no se introducían errores, una característica importante 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 simplificar el proceso de fabricación de polímeros y darles forma de cápsulas para su almacenamiento a largo plazo.
Cache DNA, una empresa fundada por Bagnall y Bath, donde Johnson es miembro del consejo asesor científico, está trabajando para seguir desarrollando la tecnología de almacenamiento de ADN. La primera aplicación que imaginan es almacenar genomas para la medicina personalizada, y también esperan que estos genomas almacenados estén sujetos a análisis adicionales a medida que se desarrolle mejor tecnología en el futuro.
«La idea es, ¿por qué no mantener el registro maestro de la vida para siempre?» Banal dice. «Dentro de diez o veinte años, cuando la tecnología haya avanzado más allá de lo que podemos imaginar hoy, podremos aprender más y más cosas. Todavía estamos en la etapa inicial de comprensión del genoma y su relación con las enfermedades».
La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias.
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