用于富集糖蛋白的纳米材料：推荐可存储数字信息的非天然聚合物的设计与合成
用于富集糖蛋白的纳米材料：推荐可存储数字信息的非天然聚合物的设计与合成02▶技术解析▲低聚-烷氧基胺酰胺合成策略示意图。TEMPO（T）作为间隔符、2-溴异丁酸 (a-1) 和 2-溴丙酸 (a-0)分别代表“1”字节与“0”字节01▶背景简述DNA 并不是唯一允许分子有序编码的聚合物，理论上任何含有有序共聚单体序列的多聚物都可以用来存储分子信息。合成聚合物如今已广泛用于各种商品和特种产品，其也可以表现出与生物聚合物类似的、甚至更为复杂的分子特性，并且相比于生物聚合物可能更容易制备。在本研究中，Lutz团队报道了一种可以存储和检索数字信息的合成聚合物，并通过规定两种单体形式分别代表二进制中的“0”与“1”，进而实现信息存储。
DNA存储回顾系列由中科碳元牵头，独家联合再创Regenesis、Genomecraft合作创作，主要由马英新课题组、iSynBio爱星博、iSynBio造物合作推广。
C-ATOM 中科碳元丨DNA存储进展
法国查尔斯萨德隆研究所（Institut Charles Sadron）的Jean-François Lutz团队开发了一种可以存储和检索数字信息的高分子聚合物。团队使用迭代策略合成了热敏感的高分子聚合物序列，并通过三个单体实现二进制代码：一个氮氧化合物作为间隔，两个可互换的酸酐分别定义为 “0”字节和 “1”字节。相关工作于2015年5月26日发表在Nature Communications上，为DNA以外的人工多聚分子介质存储数字信息方法提供了新的选择。原题Design and synthesis of digitally encoded polymers that can be decoded and erased。
▲Nature Communications 2015
01▶背景简述
DNA 并不是唯一允许分子有序编码的聚合物，理论上任何含有有序共聚单体序列的多聚物都可以用来存储分子信息。合成聚合物如今已广泛用于各种商品和特种产品，其也可以表现出与生物聚合物类似的、甚至更为复杂的分子特性，并且相比于生物聚合物可能更容易制备。
在本研究中，Lutz团队报道了一种可以存储和检索数字信息的合成聚合物，并通过规定两种单体形式分别代表二进制中的“0”与“1”，进而实现信息存储。
▲低聚-烷氧基胺酰胺合成策略示意图。TEMPO（T）作为间隔符、2-溴异丁酸 (a-1) 和 2-溴丙酸 (a-0)分别代表“1”字节与“0”字节
02▶技术解析
针对信息存储所需的编码序列合成，本研究开发出了一种用于制备序列编码聚合物的简便快速的迭代策略。该策略依赖于使用两个连续的化学偶联步骤，并且仅涉及三种化学小分子即可完成编码。通过这种方法，研究人员能够在固相介质上合成均匀分散的、有序编码的非天然聚合物，并能够通过串联质谱技术进行快速测序读取。
为了在聚合物链中编码二进制信息，团队使用了三种单体：在氧化反应中常作为催化剂的氮氧化物TEMPO（简写为T)作为间隔符，以及酸酐2-溴异丁酸(a-1)和 2-溴丙酸(a-0)分别作为“1”比特与“0”比特。通过两步连续的偶联反应，即：①胺与酸酐的取代反应，②自由基与氮氧化物的偶联反应，并在反应步骤中交替使用a-0和a-1即可进行编码序列——聚-烷氧基胺酰胺的合成，且两步反应在几分钟内即可完成。由于连接共价键的不稳定性，聚-烷氧基胺酰胺很容易解离成易于读取的片段，以便断裂后使用串联质谱分析。另外，由于聚-烷氧基胺是不耐热聚合物，高于 75 °C时就会有所降解，因此温度可以作为一个简单的触发器来擦除存储在聚合物中的序列信息，不过该聚合物在室温下是稳定的，其可在标准实验室条件下储存几个月。
▲在固相载体上合成的含有不同二元三联体的序列编码寡聚体
03▶相比于生物信息存储的优势
相比于生物聚合物（如肽链和寡核苷酸）介导的信息存储，采用诸如本研究的化学分子聚合物进行序列存储具有几大优势：
①易合成
相比于生物聚合物的人工合成都需要添加保护基团 本研究中非天然聚合物的合成通过化学选择性策略避免了这一问题，因此可以相对快速地合成聚合物。另外所涉及的两个偶联步骤都能够在室温下短时间内以高产率进行，效率高于生物聚合物的人工合成。
②易读取
相比于Sanger测序，本研究中的烷氧基胺共价键在串联质谱测序中具有出色的可读性。并且总体来说，在生物聚合物测序中，读出装置必须适应生物学强加的分子结构，而合成聚合物则可以针对已有的测序技术进行自身结构优化。两者相比，前者难度显然要大于后者。
③易储存
相比于生物聚合物在体外条件易降解，本研究中序列编码的聚合物可以在实验室条件稳定储存数月，也可以使用其他类型的氮氧化物或多聚小分子结构针对存储需求（例如在不同温度下的储存半衰期和降解速率）进行调整。
④可拓展
相比于生物聚合物的最小组成单元固定单一，本研究中的非天然聚合物也可以拓展至其他形式的单体。例如，可以使用不同裂解速率的其他酸酐或氮氧化物来执行信息存储或链加密，且该概念不仅限于二进制代码，还可以扩展到更复杂代码系统。
04▶展望
大自然在 DNA 等聚合物的合成中实现了精细的序列控制。相比之下，人工合成的聚合物很少具有相同的化学保真度或链长分布的均匀性，但随着我们化学合成手段的不断进步，将合成聚合物应用于数据存储、信息处理和分子识别领域也有望成为现实。另外，这些潜在应用也不一定需要非常长的聚合物链。目前及未来短期内的应用是开发用于产品识别的分子条形码、标记高价值产品等。
本研究描述了一种可以存储和检索数字信息的非天然大分子，其能够做为二进制“0”与“1”的记录载体，并显示了优于DNA存储的特性，也为合成聚合物开辟了新的应用领域。
参考文献
[1] Roy R. Meszynska A. Laure C. et al. Design and synthesis of digitally encoded polymers that can be decoded and erased. Nat Commun 6 7237 (2015). https://doi.org/10.1038/ncomms8237
[2] Lutz J.-F. Ouchi M. Liu David R. & Sawamoto M. Sequence-Controlled Polymers. Science 341 1238149 (2013). doi:10.1126/science.1238149
[3] Edwards J. R. Ruparel H. & Ju J. Mass-spectrometry DNA sequencing. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis 573 3-12 doi:https://doi.org/10.1016/j.mrfmmm.2004.07.021 (2005).
转载自中科碳元公众号
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文案：闫雪珊
审核：疯与鸽
排版：巳月
指导：神秘 Prof. Dai
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