Biomics

Самым простым и наиболее распространенным способом длительного хранения образцов ДНК в настоящее время является хранение их замороженных растворов, имеющий, однако, ряд недостатков, среди которых разрушение молекул ДНК при их замораживании и оттаивании, а также расход электроэнергии и вероятность потери ценных образцов в случае возможных аварий. В этой связи предпочтительным является долговременное хранения образцов ДНК при комнатной температуре в высушенном состоянии, тем более, что намечается еще больший рост числа хранимых образцов ДНК в связи с планируемым сохранением в этой молекуле небиологических данных, о чем на Международном экономическом форуме 2019 г. заявлено в числе 10 важнейших инновационных технологий человечества в ближайшем будущем. При этом требуется исключение гидролиза и окисления молекул ДНК под действием воды и активных форм кислорода, что возможно достичь, помещая ДНК в инертную безводную атмосферу, в том числе в присутствии дополнительных ингредиентов в виде, например трегалозы, имитируя живую Природу, поскольку известно, что этот простой дисахарид, способный к стеклованию, защищает от неблагоприятных условий окружающей среды широкий круг организмов – ангидробионтов. В настоящее время существует ряд технологий, обеспечивающих долговременное хранение ДНК при комнатной температуре, в том числе доступных из коммерческих источников, но не все проблемы еще решены, что нашло свое отражение в данной обзорной статье.

ДНК, долговременное хранение ДНК, хранение данных в ДНК, трегалоза

1. Гарафутдинов Р.Р., Галимова А.А., Сахабутдинова А.Р., Чемерис А.В. ПЦР-анализ специфичной к последовательности ультразвуковой фрагментации ДНК // Молекулярная биология. 2016. Т. 50. № 2. С. 272-278. DOI: 10.7868/S0026898416020051
2. Матниязов Р.Т., Чемерис Д.А., Кулуев А.Р., Зубов В.В., Чемерис А.В. Разнообразие способов получения случайным образом фрагментированной ДНК // Биомика. 2014. Т. 6. № 3. С. 155-166.
3. Сахабутдинова А.Р., Михайленко К.И., Гарафутдинов Р.Р., Кирьянова О.Ю., Сагитова М.А., Сагитов А.М., Чемерис А.В. Небиологическое применение молекул ДНК // Биомика. Т.11(3). С. 344-377. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2019-28
4. Bonnet J., Colotte M., Coudy D., Couallier V., Portier J., Morin B., Tuffet S. Chain and conformation stability of solid-state DNA: implications for room temperature storage // Nucleic Acids Res. 2010 Mar;38(5):1531-46. doi: 10.1093/nar/gkp1060
5. Bradbury J. Of tardigrades, trehalose, and tissue engineering // Lancet. 2001. V.358(9279). P.392. doi: 10.1016/S0140-6736(01)05595-7
6. Brundin M., Figdor D., Sundqvist G., Sjögren U. DNA binding to hydroxyapatite: a potential mechanism for preservation of microbial DNA // J. Endod. 2013. V.39(2). P.211-216. doi: 10.1016/j.joen.2012.09.013
7. Byrne J., Dahm R. Friedrich Miescher and the 150^th anniversary of the discovery of DNA // Biomics. V.11(3). P. 249-258. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2019-23
8. Cataldo F. DNA degradation with ozone // Int. J. Biol. Macromol. 2006. V.38(3-5). P.248-254. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2006.02.029
9. Chen W.D., Kohll A.X., Nguyen B.H., Koch J., Heckel R., Stark W.J., Ceze L., Strauss K., Grass R.N. Combining Data Longevity with High Storage Capacity—Layer‐by‐Layer DNA Encapsulated in Magnetic Nanoparticles // Advanced Functional Materials. 2019. V.29(28). 1901672. doi.org/10.1002/adfm.201901672
10. Clement O., Whitney S., Muller-Cohn J., Muller R. Following nature's lead: generating compounds for stabilizing biomolecules // Biopreserv. Biobank. 2012. V.10(4). P.395-402. doi: 10.1089/bio.2012.0022
11. Clermont D., Santoni S., Saker S., Gomard M., Gardais E., Bizet C. Assessment of DNA encapsulation, a new room-temperature DNA storage method // Biopreserv. Biobank. 2014. V.12(3). P.176-183. doi: 10.1089/bio.2013.0082
12. Colotte M., Coudy D., Tuffet S., Bonnet J. Adverse effect of air exposure on the stability of DNA stored at room temperature // Biopreserv. Biobank. 2011. V.9(1). P.47-50. doi: 10.1089/bio.2010.0028
13. Davis D.L., O'Brien E.P., Bentzley C.M. Analysis of the degradation of oligonucleotide strands during the freezing/thawing processes using MALDI-MS // Anal. Chem. 2000. V.72(20). P.5092-5096. doi: 10.1021/ac000225s
14. Delhaes L., Filisetti D., Brenier-Pinchart M-P., Pelloux H., Yéra H., Dalle F., Sterkers Y., Varlet-Marie E., Touafek F., Cassaing S., Bastien P. Freezing and storage at -20 °C provides adequate preservation of Toxoplasma gondii DNA for retrospective molecular analysis // Diagn. Microbiol. Infect. Dis. 2014. V.80(3). P.197-199. doi: 10.1016/j.diagmicrobio.2014.08.007
15. Frippiat C., Noel F. Efficiency of a novel forensic room-temperature DNA storage medium // Forensic Sci. Int. Genet. 2014. V.9. P.81-84. doi: 10.1016/j.fsigen.2013.11.009
16. Frippiat C., Zorbo S., Leonard D., Marcotte A., Chaput M., Aelbrecht C., Noel F. Evaluation of novel forensic DNA storage methodologies // Forensic Sci. Int. Genet. 2011. V.5(5). P.386-392. doi: 10.1016/j.fsigen.2010.08.007
17. Grass R.N., Heckel R., Puddu M., Paunescu D., Stark W.J. Robust chemical preservation of digital information on DNA in silica with error-correcting codes // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2015. V.54(8). P.2552-2555. doi: 10.1002/anie.20141137
18. Howlett S.E., Castillo H.S., Gioeni L.J., Robertson J.M., Donfack J. Evaluation of DNAstable for DNA storage at ambient temperature // Forensic Sci. Int. Genet. 2014. V.8(1). P.170-178. doi: 10.1016/j.fsigen.2013.09.003
19. Jacobs D., Neilan B.A. Long-term preservation of DNA in agarose gels using 70% ethanol // Biotechniques. 1995. V.19(6). P.892-894.
20. Ivanova N.V., Kuzmina M.L. Protocols for dry DNA storage and shipment at room temperature // Mol. Ecol. Resour. 2013. V.13(5). P.890-898. doi: 10.1111/1755-0998.12134
21. Kohll A.X., Antkowiak P.L., Chen W.D., Nguyen B.H., Stark W.J., Ceze L., Strauss K., Grass R.N. Stabilizing synthetic DNA for long-term data storage with earth alkaline salts // Chem. Commun. (Camb.). 2020. V.56(25). P.3613-3616. doi: 10.1039/d0cc00222d
22. Laniel M.A., el-Amine M., Boire G., Ménard H.A. Southern blotting of long-term preserved DNA // Biotechniques. 1997. V.22(4). P.595-596. doi: 10.2144/97224bm02
23. Lindahl T. Instability and decay of the primary structure of DNA // Nature. 1993. V.362(6422). P.709-715. doi: 10.1038/362709a0
24. Lindahl T. The Croonian Lecture, 1996: endogenous damage to DNA // Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 1996. V.351(1347). P.1529-1538. doi: 10.1098/rstb.1996.0139
25. Liu X., Li Q., Wang X., Zhou X., He X., Liao Q., Zhu F., Cheng L., Zhang Y. Evaluation of DNA/RNAshells for room temperature nucleic acids storage // Biopreserv. 2015. V.13(1). P.49-55. doi: 10.1089/bio.2014.0060
26. Lyscov V.N., Moshkovsky Y. DNA cryolysis // Biochim. Biophys. Acta. 1969. V.190(1). P.101-110. doi: 10.1016/0005-2787(69)90158-0
27. McDevitt S.L., Hogan M.E., Pappas D.J., Wong L.Y., Noble J.A. DNA storage under high temperature conditions does not affect performance in human leukocyte antigen genotyping via next-generation sequencing (DNA integrity maintained in extreme conditions) // Biopreserv. Biobank. 2014. V.12(6). P.402-408. doi: 10.1089/bio.2014.0036
28. Mínguez-Toral M., Cuevas-Zuviría B., Garrido-Arandia M., Pacios L.F. A computational structural study on the DNA-protecting role of the tardigrade-unique Dsup protein // Sci Rep. 2020. 10(1):13424. doi: 10.1038/s41598-020-70431-1
29. Montgomery M.C., Berka J., Weimer E.T. Suitability of dried DNA for long-range PCR amplification and HLA typing by next-generation sequencing // Hum. Immunol. 2019. V.80(2). P.135-139. doi: 10.1016/j.humimm.2018.12.002
30. Muller R., Betsou F., Barnes M.G., Harding K., Bonnet J., Kofanova O., Crowe J.H., International Society for Biological and Environmental Repositories (ISBER) Biospecimen Science Working Group. Preservation of Biospecimens at Ambient Temperature: Special Focus on Nucleic Acids and Opportunities for the Biobanking Community // Biopreserv. Biobank. 2016. V.14(2). P.89-98. doi: 10.1089/bio.2015.0022
31. Palmer R. Companies hope to bring DNA storage in from the cold // Nature Medicine. 2010. V.16(10). P.1056-1057.
32. Paunescu D., Mora C.A., Puddu M., Krumeich F., Grass R.N. DNA protection against ultraviolet irradiation by encapsulation in a multilayered SiO2/TiO2 assembly // J. Mater. Chem. B. 2014. V.2(48). P.8504-8509. doi: 10.1039/c4tb01552e
33. Paunescu D., Puddu M., Soellner J.O.B., Stoessel P.R., Grass R.N. Reversible DNA encapsulation in silica to produce ROS-resistant and heat-resistant synthetic DNA 'fossils' // Nat. Protoc. 2013. V.8(12). P.2440-2448. doi: 10.1038/nprot.2013.154
34. Piovesan A., Pelleri M.C., Antonaros F., Strippoli P., Caracausi M., Vitale L. On the length, weight and GC content of the human genome // BMC Res. 2019. V.12(1):106. doi: 10.1186/s13104-019-4137-z
35. Psifidi A., Dovas C.I., Bramis G., Lazou T., Russel C.L., Arsenos G., Banos G. Comparison of eleven methods for genomic DNA extraction suitable for large-scale whole-genome genotyping and long-term DNA banking using blood samples // PLoS One. 2015. V.10(1):e0115960. doi: 10.1371/journal.pone.0115960
36. Rombach M., Kosse D., Faltin B., Wadle S., Roth G., Zengerle R., von Stetten F. Real-time stability testing of air-dried primers and fluorogenic hydrolysis probes stabilized by trehalose and xanthan // Biotechniques. 2014. V.57(3). P.151-155. doi: 10.2144/000114207
37. Schaudien D., Baumgärtner W., Herden C. High preservation of DNA standards diluted in 50% glycerol // Diagn. Mol. Pathol. 2007. V.16(3). P.153-157. doi: 10.1097/PDM.0b013e31803c558a
38. Shikama K. Effect of freezing and thawing on the stability of double helix of DNA // Nature. 1965. V.207(996). P.529-530. doi: 10.1038/207529a0
39. Shirkey B., McMaster N.J., Smith S.C., Wright D.J., Rodriguez H., Jaruga P., Birincioglu M., Helm R.F., Potts M. Genomic DNA of Nostoc commune (Cyanobacteria) becomes covalently modified during long-term (decades) desiccation but is protected from oxidative damage and degradation // Nucleic Acids Res. 2003. V.31(12). P.2995-3005. doi: 10.1093/nar/gkg404
40. Trapmann S., Catalani P., Hoorfar J., Prokisch J., van Iwaarden P., Schimmel H. Development of a novel approach for the production of dried genomic DNA for use as standards for qualitative PCR testing of food-borne pathogens // Accreditation and Quality Assurance. 2004. V.9. P.695–699. doi: 10.1007/s00769-004-0872-4
41. Wan E., Akana M., Pons J., Chen J., Musone S., Kwok P-Y., Liao W. Green technologies for room temperature nucleic acid storage // Curr. Issues Mol. Biol. 2010. V.12(3). P.135-142.
42. Washetine K., Heeke S., Ribeyre C., Bourreau C., Normand C., Blons H., Laurent-Puig P., Mulot C., Clermont D., David M., Clément B., Dagher G., Hofman P. DNAshell Protects DNA Stored at Room Temperature for Downstream Next-Generation Sequencing Studies // Biopreserv. Biobank. 2019. V.17(4). P.352-354. doi: 10.1089/bio.2018.0129
43. Washetine K., Kara-Borni M., Heeke S., Bonnetaud C., Félix J.M., Ribeyre L., Bence C., Ilié M., Bordone O., Pedro M., Maitre P., Tanga V., Gormally E., Mossuz P., Lorimier P., Marquette C.H., Mouroux J., Cohen C., Lassalle S., Long-Mira E., Clément B., Dagher G., Hofman V., Hofman P. Ensuring the Safety and Security of Frozen Lung Cancer Tissue Collections through the Encapsulation of Dried DNA // Cancers (Basel). 2018. V.10(6):195. doi: 10.3390/cancers10060195
44. Zagon J., Kurth S., Ehlers A., Linke B., Lampen A., Broll H. Preservation of primer and probes on “ready-to-use” 96-well microtiter plates: A step forward towards enhancing throughput and harmonization of real-time PCR applications in food and feed control // Food Control. 2012. V.25(2). P.709-716. doi: 10.1016/j.foodcont.2011.12.006