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Cientistas preservam DNA em um polímero semelhante ao âmbar

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Jun 16, 2024
Pesquisadores do MIT desenvolveram uma maneira de encapsular DNA em um polímero termofixo k

Pesquisadores do MIT desenvolveram uma maneira de encapsular o DNA em um polímero termofixo conhecido como poliestireno reticulado. Após o DNA ser incorporado no polímero, ele pode ser liberado novamente tratando o polímero com cisteamina.

Com o método “T-REX”, o DNA incorporado no polímero poderia ser usado para armazenamento a longo prazo de genomas ou dados digitais, como fotos e música.

No filme “Jurassic Park”, os cientistas extraíram DNA que havia sido preservado em âmbar por milhões de anos e o usaram para criar uma população de dinossauros extintos há muito tempo.

Inspirados em parte por esse filme, os pesquisadores do MIT desenvolveram um polímero vítreo, semelhante ao âmbar, que pode ser usado para armazenamento de DNA a longo prazo, sejam genomas humanos inteiros ou arquivos digitais, como fotos.

A maioria dos métodos atuais de armazenamento de DNA requerem temperaturas congelantes, por isso consomem uma grande quantidade de energia e não são viáveis ​​em muitas partes do mundo. Em contraste, o novo polímero semelhante ao âmbar pode armazenar DNA à temperatura ambiente enquanto protege as moléculas de danos causados ​​pelo calor ou pela água.

Os pesquisadores mostraram que poderiam usar esse polímero para armazenar sequências de DNA que codificam a música tema de Jurassic Park, bem como um genoma humano inteiro. Eles também demonstraram que o DNA pode ser facilmente removido do polímero sem danificá-lo.

“Congelar o DNA é a forma número um de preservá-lo, mas é muito caro e não é escalonável”, diz James Banal, ex-pós-doutorado do MIT. “Acredito que nosso novo método de preservação será uma tecnologia que poderá impulsionar o futuro do armazenamento de informações digitais no DNA”.

Banal e Jeremiah Johnson, professor de química A. Thomas Geurtin no MIT, são os autores seniores do estudo, publicado ontem no Jornal da Sociedade Química Americana. A ex-pós-doutorada do MIT, Elizabeth Prince, e o pós-doutorado do MIT, Ho Fung Cheng, são os principais autores do artigo.

Capturando DNA

O DNA, uma molécula muito estável, é adequado para armazenar grandes quantidades de informação, incluindo dados digitais. Os sistemas de armazenamento digital codificam textos, fotos e outros tipos de informações como uma série de 0s e 1s. Essa mesma informação pode ser codificada no DNA usando os quatro nucleotídeos que compõem o código genético: A, T, G e C. Por exemplo, G e C poderiam ser usados ​​para representar 0 enquanto A e T representam 1.

O ADN oferece uma forma de armazenar esta informação digital numa densidade muito elevada: em teoria, uma caneca de café cheia de ADN poderia armazenar todos os dados do mundo. O DNA também é muito estável e relativamente fácil de sintetizar e sequenciar.

Em 2021, Banal e seu orientador de pós-doutorado, Mark Bathe, engenheiro biológico do MIT, desenvolveram uma forma de armazenar DNA em partículas de sílica, que poderiam ser rotuladas com etiquetas que revelassem o conteúdo das partículas. Esse trabalho levou a um spin-out chamado Cache DNA.

Uma desvantagem desse sistema de armazenamento é que leva vários dias para incorporar o DNA nas partículas de sílica. Além disso, a remoção do ADN das partículas requer ácido fluorídrico, que pode ser perigoso para os trabalhadores que manuseiam o ADN.

Para encontrar materiais alternativos de armazenamento, Banal começou a trabalhar com Johnson e membros de seu laboratório. A ideia era usar um tipo de polímero conhecido como termofixo degradável, que consiste em polímeros que formam um sólido quando aquecidos. O material também inclui ligações cliváveis ​​que podem ser facilmente quebradas, permitindo que o polímero seja degradado de forma controlada.

“Com esses termofixos desconstrutíveis, dependendo das ligações cliváveis ​​que colocamos neles, podemos escolher como queremos degradá-los”, diz Johnson.

Para este projeto, os pesquisadores decidiram fazer seu polímero termofixo a partir de estireno e um reticulador, que juntos formam um termofixo semelhante ao âmbar chamado poliestireno reticulado. Este termofixo também é muito hidrofóbico, por isso pode impedir a entrada de umidade e danificar o DNA. Para tornar o termofixo degradável, os monômeros de estireno e os reticulantes são copolimerizados com monômeros chamados tionolactonas. Essas ligações podem ser quebradas tratando-as com uma molécula chamada cisteamina.

Como o estireno é tão hidrofóbico, os pesquisadores tiveram que descobrir uma maneira de atrair o DNA – uma molécula hidrofílica com carga negativa – para o estireno.

Para fazer isso, eles identificaram uma combinação de três monômeros que poderiam transformar em polímeros que dissolvem o DNA, ajudando-o a interagir com o estireno. Cada um dos monômeros possui características diferentes que cooperam para tirar o DNA da água e colocá-lo no estireno. Lá, o DNA forma complexos esféricos, com DNA carregado no centro e grupos hidrofóbicos formando uma camada externa que interage com o estireno. Quando aquecida, esta solução torna-se um bloco sólido semelhante a vidro, incorporado em complexos de DNA.

Os pesquisadores apelidaram seu método de T-REX (Xeropreservação Reforçada por Termofixo). O processo de incorporação do DNA na rede polimérica leva algumas horas, mas pode se tornar mais curto com maior otimização, dizem os pesquisadores.

Para liberar o DNA, os pesquisadores primeiro adicionam cisteamina, que quebra as ligações que mantêm o poliestireno termofixo unido, quebrando-o em pedaços menores. Em seguida, um detergente chamado SDS pode ser adicionado para remover o DNA do poliestireno sem danificá-lo.

Armazenando informações

Usando estes polímeros, os investigadores mostraram que podiam encapsular ADN de comprimentos variados, desde dezenas de nucleótidos até um genoma humano inteiro (mais de 50.000 pares de bases). Eles conseguiram armazenar o DNA que codifica a Proclamação de Emancipação e o logotipo do MIT, além da música tema de “Jurassic Park”.

Depois de armazenar o DNA e removê-lo, os pesquisadores o sequenciaram e descobriram que nenhum erro havia sido introduzido, o que é uma característica crítica de qualquer sistema de armazenamento digital de dados.

Os pesquisadores também mostraram que o polímero termofixo pode proteger o DNA de temperaturas de até 75 graus Celsius (167 graus Fahrenheit). Eles agora estão trabalhando em maneiras de agilizar o processo de fabricação dos polímeros e transformá-los em cápsulas para armazenamento a longo prazo.

Cache DNA, uma empresa fundada por Banal e Bathe, com Johnson como membro do conselho consultivo científico, está agora trabalhando no desenvolvimento de tecnologia de armazenamento de DNA. A primeira aplicação que imaginam é o armazenamento de genomas para medicina personalizada, e também prevêem que estes genomas armazenados poderão ser submetidos a análises mais aprofundadas à medida que melhores tecnologias forem desenvolvidas no futuro.

“A ideia é: por que não preservamos para sempre o registro mestre da vida?” Banal diz. “Daqui a dez ou 20 anos, quando a tecnologia tiver avançado muito mais do que poderíamos imaginar hoje, poderemos aprender cada vez mais coisas. Ainda estamos na infância da compreensão do genoma e como ele se relaciona com as doenças.”

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