DNA is zeer interessant voor het bewaren van data. Niet in enen en nullen, maar in de vier letters van de genetische code. In Nature Nanotechnology beschrijft de groep van Tom de Greef (Eindhoven/Nijmegen) hoe je temperatuurgevoelige microcapsules kunt inzetten om de data niet alleen veilig op te slaan, maar ook gericht en herhaaldelijk te raadplegen.
Waar laten we al onze data? Die vraag wordt steeds urgenter, nu de capaciteit van de huidige methoden om data te bewaren de explosief groeiende dataproductie niet bijhoudt. Bovendien zijn de gebruikelijke datadragers (discs, tapes) beperkt houdbaar en het hele systeem vreet energie.
Daarom gaat er steeds meer aandacht uit naar het ontwikkelen van organische moleculen als datadragers en vooral DNA lijkt hiervoor heel aantrekkelijk. Het molecuul is tenslotte volledig geëvolueerd voor deze functie: alle genetische informatie van een organisme ligt hier opgeslagen. DNA heeft een zeer hoge informatiedichtheid en kan, onder de juiste condities, extreem lang intact blijven. ‘DNA-dataopslag heeft alles in zich om een emergente technologie te worden’, zegt Tom de Greef, hoogleraar synthetische biologie in Eindhoven en Nijmegen. ‘In de VS en binnen de EU lopen al grote onderzoeksprogramma’s op dit onderwerp, maar in Nederland is het nog een klein veld.’
‘DNA-dataopslag heeft alles in zich om een emergente technologie te worden’
Belangrijke stimulans voor het onderzoek naar DNA-dataopslag is dat ondertussen grootschalige synthese van DNA (‘wegschrijven’) alsook het snel sequensen (‘aflezen’) gemeengoed zijn geworden. Een van de grote uitdagingen ligt in de stappen tussen wegschrijven en aflezen. Want hoe kom je gericht bij de data die je zoekt en zorg je ervoor dat je ook daadwerkelijk het juiste stuk DNA afleest? Met daarbij nog als extra wens dat je meerdere malen het gewenste stuk DNA kunt aflezen, zonder dat de kwaliteit van de informatie afneemt.
Kopiëren
De kern van deze uitdagingen ligt in het kopiëren van het opgeslagen DNA. Om DNA te kunnen sequensen, moet je het namelijk eerst vele malen kopiëren zodat er voldoende afleesmateriaal beschikbaar is. Daarvoor gebruik je de overbekende PCR-techniek (polymerase chain reaction), maar die heeft twee belangrijke nadelen. Ten eerste kun je zo maar één file per keer uitlezen, want als je meerdere DNA-bestanden tegelijkertijd wil kopiëren, ofwel multiplex PCR, ontstaan er door kruisreacties allemaal bijproducten die de opgeslagen informatie vervuilen. Daarnaast verlies je met PCR altijd een deel van je originele materiaal en kopiëren gaat nooit helemaal foutloos, waardoor de kwaliteit van de uitgelezen informatie snel afneemt.
In Nature Nanotechnology presenteert de groep van De Greef samen met onderzoekers van onder meer Microsoft en Amerikaanse, Britse en Chinese universiteiten een mogelijke oplossing waarbij ze DNA opslaan in temperatuurgevoelige, semipermeabele microcapsules. Deze capsules, zogeheten proteinosomen, bestaan uit het eiwit bovine serum albumin (BSA) en poly(N-isopropylacrylamide (PNIPAm), een temperatuurgevoelig gevoelig polymeer dat veel wordt toegepast in adaptieve hydrogel-materialen. Bij hogere temperaturen, die nodig is voor PCR, sluit de BSA-PNIPAm membraan zich en zo krijg je aparte mini-reactoren waar iedere file gekopieerd wordt zonder vermenging met de andere files. ‘Je kunt dus nu verschillende DNA-bestanden, die elk in hun eigen capsule zitten, tegelijkertijd parallel uitlezen. Je gooit er gewoon de gewenste primers bij, verhoogt de temperatuur en dan heb je parallelle PCR-processen zonder onderlinge interacties’, legt De Greef uit. Dat is een stuk efficiënter dan wanneer je voor ieder DNA-bestand afzonderlijk het kopieerproces moet doorlopen.
Minder bijproducten
Zijn de kopieën klaar, dan verlaag je de temperatuur weer. De membranen van de capsules gaan open en alle kopieën komen vrij, waarna het sequensen kan beginnen. ‘We hebben deze aanpak vergeleken met bulk-PCR, waarbij het kopiëren niet gescheiden plaatsvindt en we zagen duidelijk veel minder bijproducten bij onze aanpak’, aldus De Greef. Kopiëren in de afgesloten bolletjes levert dus een veel ‘schoner’ eindproduct.
Daarmee is een aspect van de uitdaging geadresseerd. Maar hoe zit het met herhaaldelijk uitlezen van de DNA-files? Ook daar hebben De Greef c.s. een oplossing voor gevonden. De DNA-strengen — een DNA-bestand van 1Mb bestaat uit ongeveer 65.000 dubbelstrengs stukjes DNA — worden via een biotine-linker covalent gebonden in de capsule. De originele files blijven daardoor intact en bewaard. Bij iedere uitleesronde raadpleeg je weer de oorspronkelijke data in plaats van een kopie van een kopie.
’We konden zonder problemen meerdere keren uitlezen zonder kwaliteitsverlies’
‘We hebben onze methode losgelaten op 25 Mb data, dat zijn 25 aparte DNA-files en we konden zonder problemen meerdere keren uitlezen zonder kwaliteitsverlies. Als je de originele files niet intact laat ben je na drie rondes uitlezen al 35 procent van je informatie kwijt. Wij zagen, door gebruik te maken van capsules, een verlies van slechts 0,3 procent. Herhaaldelijk uitlezen is dus heel goed mogelijk en dat is een belangrijke voorwaarde.’ Om de originele bestanden makkelijk uit het mengsel van gekopieerde files te halen, bevat iedere capsule ook een klein magnetisch deeltje. ‘Zo vissen we het oorspronkelijke materiaal eenvoudig eruit’.
Was dit alles een geplande oplossing of diende deze mogelijkheid zich gaandeweg aan? ‘Dat laatste’, zegt De Greef. ‘De microcapsules hadden we al in 2019, ook in Nature Nanotechnology, gepubliceerd als een voorbeeld van synthetische protocellen die onderling kunnen communiceren. Ik heb toen aan Bas Bögels, promovendus in mijn groep, gevraagd om uit te zoeken of we ook PCR kunnen doen in zo’n capsule. Dat bleek te kunnen en toen we vervolgens zagen dat bij de hogere temperaturen die je nodig hebt voor PCR de capsules zich gingen sluiten, hadden we wel het idee te pakken.’ Dus dit was al het plan? ‘Nee, ik was in eerste instantie gewoon nieuwsgierig of PCR-en mogelijk was, maar er zit altijd wel een hogere orde gedachte bij zo’n vraag.’
Kleuren
De grotere vraag die nu prioriteit krijgt betreft de schaalbaarheid van de methode. ‘We hebben het voor 25 files laten zien, maar je wilt ook graag weten of het voor honderden files ook werkt.’ Dan wordt ook het gericht selecteren van files belangrijk, want je wilt vast niet altijd een compleet archief kopiëren als je slechts enkele bestanden nodig hebt. Daarom heeft het team nu al fluorescente gekleurde labels aangebracht op de capsules, waardoor je makkelijk de gewenste capsules kunt selecteren. Maar het aantal kleuren is beperkt, dus gaat de Greef zoeken naar manieren om ook die selectiestap verder op te schalen. ‘Ik ben al volop nieuwe onderzoeksvoorstellen aan het formuleren’.
Nog geen opmerkingen