Voor het opslaan van biologische moleculen – DNA, eiwitten, medicijnen – was altijd koeling nodig. Tot nu toe dan, want de Amerikaanse startup Cache DNA doet het anders.

Ga kijken in ziekenhuizen, in analyselaboratoria of de labs van biomedisch onderzoekers: overal diepvriesapparatuur, soms hele kamers vol. De diepvriezers zijn nodig om biologisch materiaal voor langere tijd te kunnen bewaren; denk aan monsters van patiënten, kandidaat-geneesmiddelen, of poepmonsters van onderzoek naar darmziekten. Zou dat materiaal gewoon bij kamertemperatuur worden opgeslagen, dan is binnen een paar dagen het spul bedorven.

In één klap onbruikbaar

Maar het bij lage temperaturen opslaan van biologisch materiaal levert enorme beperkingen op; om over het energieverbruik nog maar te zwijgen. Stroomuitval, kapotte apparatuur of vertraging tijdens transport kunnen er allemaal voor zorgen dat die patiëntmonsters of ander biologisch materiaal in één klap onbruikbaar zijn geworden.

Jurassic Park

Hoog tijd voor een andere aanpak, dachten onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), de technische universiteit bij Boston. Zij ontwikkelden in de afgelopen jaren een techniek om DNA en ander biologische materiaal bij kamertemperatuur op te slaan. Hoe ze dat doen, doet een beetje denken aan de film Jurassic Park. In die blockbuster gebruiken wetenschappers dinosaurus-DNA dat zit opgesloten in een blok amber (gefossiliseerde hars van een boom) om de prehistorische dieren weer tot leven te wekken.

Voorbeeldje van een stuk amber waarin een insect bewaard is gebleven.

Lucht- en vochtdicht

Nu zijn de MIT-ingenieurs dát niet van plan, maar het amber bracht hen wel op een idee. Ze ontwikkelden een materiaal dat DNA lucht- en vochtdicht kan opsluiten, zó goed dat het biologische materiaal jarenlang goed blijft. Zonder koeling, gewoon bij kamertemperatuur. Dat levert ongekende mogelijkheden op, doordat het vervoer en de opslag van bijvoorbeeld biologische monsters, DNA en bloed veel eenvoudiger wordt. Zeer afgelegen gebieden op aarde en armere landen krijgen nu ook de beschikking over vormen van zorg waarvoor eerder altijd opslag in diepvriezers nodig was.

Amberachtig materiaal

Het polymeer dat de onderzoekers ontwikkelden is een materiaal dat in vloeibare vorm te gebruiken is om een monster te omhullen. Door het geheel te verwarmen stolt de vloeistof en ontstaat een amberachtig materiaal. Het DNA is daarmee ingepakt en volledig beschermd. Stap twee is het uitpakken van het DNA: dat gebeurt door de stof cysteamine toe te voegen, in combinatie met een speciaal reinigingsmiddel. Die zorgen er samen voor dat het DNA weer vrijkomt. Proeven laten zien dat het genetische materiaal zonder schade is op te slaan en weer vrijgemaakt kan worden.

Ondoordringbare barrière

De vergelijking met amber wordt snel gemaakt, maar volgens een van de onderzoekers, James Banal, is het polymeer zelfs beter dan het natuurlijke materiaal (nieuwsbericht van MIT). ‘Wat wij hebben gebouwd is heel anders: een dicht netwerk van polymeerketens die een ondoordringbare barrière om het DNA vormen. Je zou het kunnen vergelijken met een vacuümverpakking, maar dan op moleculair niveau. Het polymeer is zo waterafstotend dat water en enzymen die normaal gesproken DNA zouden vernietigen, er simpelweg niet doorheen kunnen komen.’

Cliché-illustratie van een DNA-streng.

Startup van MIT

Uit het wetenschappelijke onderzoek aan MIT, dat nu een paar jaar loopt, kwam in 2021 de startup Cache DNA voort. Dat bedrijf stelt zichzelf als doel om het opslaan van biomoleculen veel breder toegankelijk te maken, zodat meer mensen, bedrijven en wetenschappers daarvan kunnen profiteren. Het bedrijf (missie op de website) ‘gelooft dat het benutten van de informatie die zit opgeslagen in biomoleculen zal bijdragen aan de toekomst van precision medicine.’

Het bedrijf doelt hiermee bijvoorbeeld op de snelle opkomst van DNA-analyse (‘DNA sequencing’). De kosten van het uitlezen van een DNA-streng is in de afgelopen decennia gedaald van een paar miljard dollar tot een paar honderd dollar per genoom. Dat levert ongekende mogelijkheden op bij het diagnosticeren van ziekten en het behandelen ervan. Maar dan moeten de opslag en het vervoer van DNA wel goed geregeld zijn. Cache DNA werkt er dus aan om die zaken te kunnen doen zonder koeling.

Verrast

De testkits die Cache DNA afgelopen jaar naar meer dan honderd onderzoekers wereldwijd stuurde, leverden uiteenlopende reacties op, schrijft MIT. ‘We vertelden er niet bij waar de wetenschappers onze testkits voor moesten gebruiken, maar we werden verrast door de toepassingen’, zegt Banal. ‘Sommigen gebruikten onze techniek om monsters uit het veld te bewaren waar ze geen koeling voorhanden hadden. Weer anderen testten een kit voor het langere tijd opslaan van biologische monsters. Verschillende toepassingen, maar één en het zelfde probleem: ze hadden geen koeling.’

Dataopslag in DNA

Hoewel de focus van Cache DNA ligt op medische toepassingen, is er nog een heel andere toepassing van het opslaan van DNA: dataopslag. Net zoals allerlei vormen van data op te slaan zijn in bits (enen en nullen) en bytes, zou je dezelfde data ook kunnen opslaan met DNA. Dat biologische materiaal bestaat immers ook uit herhalende eenheden: de baseparen A, T, G en C, waarmee ontelbare combinaties te vormen zijn. Dataopslag met DNA kan in theorie veel hogere dichtheden krijgen dan opslag met halfgeleiders. Op zich is DNA ook behoorlijk stabiel, maar om het te beschermen tegen schadelijke invloeden van buitenaf is toch extra bescherming nodig. Dat kan bijvoorbeeld door het DNA in te pakken in heel kleine glasbolletjes, een manier die Cache DNA heeft gepatenteerd. Het benutten van DNA voor dataopslag is zo veelbelovend, dat er op meerdere plekken aan wordt gewerkt; lees ook onze artikelen ‘DNA als medium voor dataopslag’ (uit 2017) en ‘Data-opslag in DNA weer stap dichterbij’. 

 

Alle foto’s: Depositphotos