Crean un ámbar sintético para guardar ADN si congelarlo

Investigadores del MIT han desarrollado un polímero vítreo similar al ámbar que se puede utilizar para almacenar ADN a largo plazo, ya sean genomas humanos completos o archivos digitales como fotografías.

La mayoría de los métodos actuales para almacenar ADN requieren temperaturas de congelación, por lo que consumen una gran cantidad de energía y no son factibles en muchas partes del mundo. En cambio, el nuevo polímero similar al ámbar puede almacenar ADN a temperatura ambiente al tiempo que protege 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 la música de Jurassic Park, así como un genoma humano completo. También demostraron que el ADN se puede extraer fácilmente del polímero sin dañarlo.

"La congelación del ADN es la forma número uno de preservarlo, pero es muy cara y no es escalable", dice en un comunicado James Banal, ex investigador postdoctoral del MIT. "Creo que nuestro nuevo método de conservación va a ser una tecnología que puede impulsar el futuro del almacenamiento de información digital en ADN", añadió el autor principal del estudio, publicado en el Journal of the American Chemical Society.

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 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 utilizarse para representar 0, mientras que A y T representan 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 de posdoctorado, 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 dio lugar a una empresa derivada llamada Cache DNA.

Una desventaja de ese sistema de almacenamiento es que lleva varios días incrustar el ADN en las partículas de sílice. Además, para extraer el ADN de las partículas se necesita 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 termoendurecible 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 degradar el polímero 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 parecido al ámbar llamado poliestireno reticulado. Este termoestable también es muy hidrófobo, por lo que puede evitar que la humedad entre 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 se pueden romper tratándolos con una molécula llamada cisteamina.

Debido a que el estireno es tan hidrófobo, los investigadores tuvieron que encontrar una forma de atraer el ADN (una molécula hidrófila con carga negativa) hacia el estireno.

Para ello, identificaron una combinación de tres monómeros que podían convertir en polímeros que disuelven el ADN al ayudarlo a interactuar con el estireno. Cada uno de los monómeros tiene diferentes características 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 llamaron a su método T-REX (Xeropreservación reforzada con termoendurecedor). El proceso de incrustación del ADN en la red de polímeros lleva unas pocas horas, pero ese tiempo podría acortarse con una mayor optimización, dicen los investigadores.

Para liberar el ADN, los investigadores primero agregan cisteamina, que rompe los enlaces que mantienen unido el termoendurecedor de poliestireno, rompiéndolo en pedazos más pequeños. Luego, se puede agregar un detergente llamado SDS para eliminar el ADN del poliestireno sin dañarlo.

Utilizando estos polímeros, los investigadores demostraron que podían encapsular ADN de longitudes variables, desde decenas de nucleótidos hasta un genoma humano completo (más de 50.000 pares de bases). Pudieron almacenar ADN que codificaba la Proclamación de la Emancipación de Lincoln y el logotipo del MIT, además de la música de fondo de 'Jurassic Park'.

Después de almacenar el ADN y luego extraerlo, los investigadores lo secuenciaron y descubrieron que no se habían introducido errores, lo que es una característica fundamental de cualquier sistema de almacenamiento de datos digitales.

Los investigadores también demostraron que el polímero termoendurecible puede proteger el ADN de temperaturas de hasta 75 grados Celsius. Ahora están trabajando en formas de agilizar el proceso de fabricación de los polímeros y darles forma de cápsulas para el almacenamiento a largo plazo.