MOLECULAR INFORMATION ENGINEERING 9-1

Long-Term DNA Preservation

DNA 장기 보존의 재료와 실험 평가

DNA 손상과 보관 환경 / 실리카와 염에 의한 안정화 / 고분자와 복합 보호 재료 / 가속 열화와 파일 복원 평가

송영준 Youngjun Song / 인천대학교 / 75분

강의 폴더강의 안내

DNA 보존 연구의 측정 대상

측정확인하는 성질
형광 정량회수한 DNA 질량
qPCR정해진 구간의 증폭 가능 사본
시퀀싱서열 분포와 오류
복호·해시디지털 파일의 완전성
  • 분자량: 회수한 DNA의 양
  • 증폭 가능성: 프라이머 사이의 온전한 구간
  • 서열 보존: 손상·치환·가닥 소실
  • 파일 보존: 오류정정 후 원본과의 일치

https://doi.org/10.1002/smtd.202001094

보관 형태와 DNA 손상

Fig. 1: Categories of DNA storage with distinct longevities, functional characteristics, and degradation modes. Full size image (Top) A generic DNA-based system showing distinct t
Matange et al., Nature Communications (2021), Fig. 1

위: 보관 형태와 접근 빈도. 아래: 염기 손상·가닥 절단·교차결합.

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21587-5

염기 손상과 골격 절단

손상분자 수준의 변화가능한 관측 결과
탈퓨린화염기 소실과 무염기 자리중합효소 정지·후속 절단
탈아미노화C에서 U로 전환복제 후 C→T형 치환
가닥 절단공유결합 골격의 단절짧은 절편·증폭 실패
  • Depurination(탈퓨린화): 퓨린과 당 사이 결합의 가수분해
  • AP site: apurinic/apyrimidinic site(무염기 자리)
  • Deamination(탈아미노화): cytosine의 uracil 전환
  • Oxidation(산화): 염기와 당의 화학적 변형

https://doi.org/10.1093/nar/gkp1060 ; https://doi.org/10.1038/362709a0

건조 DNA의 환경 제어 실험

Bonnet et al., Nucleic Acids Research (2010)

실험 요소연구에서 사용한 비교
상대습도포화염 용액으로 서로 다른 RH 형성
기체·용기대기, 저습도 밀봉, 무수 argon
DNA 형태초나선 plasmid의 구조 변화
분석전기영동과 손상 속도 분석
  • 대상: plasmid DNA와 건조 첨가제
  • 비교: 대기 노출·저습도·무수 불활성 기체
  • 조절 변수: 온도와 상대습도 RH
  • 측정: plasmid의 supercoiled fraction

https://doi.org/10.1093/nar/gkp1060

상대습도와 사슬 절단 속도

Figure 6. Open in a new tab DNA degradation as a function of RH. (A) Plasmid DNA samples containing trehalose were incubated at 70°C in capped bottles containing an NaCl saturate
Bonnet et al., Nucleic Acids Research (2010), Fig. 6

A: 70 °C에서 초나선 DNA 비율의 시간 변화. B: 상대습도와 손상 속도의 관계.

https://doi.org/10.1093/nar/gkp1060

Plasmid topology를 이용한 손상 검출

형태구조보존 실험에서의 의미
Supercoiled닫힌 원형의 비틀린 구조절단에 민감한 초기 지표
Open circularnick에 의해 이완된 원형한 가닥 절단의 검출
Linear두 가닥이 절단된 선형골격의 추가 손상
  • Supercoiled DNA: 공유결합으로 닫힌 두 가닥
  • 단일가닥 절단: 초나선 이완과 open circular DNA
  • 이중가닥 절단: linear DNA 생성
  • 형태 변화와 염기 정보 보존의 별도 평가

https://doi.org/10.1093/nar/gkp1060

기밀 캡슐의 건조·불활성 보관

Fig 1. Workflow of Imagene process. Open in a new tab
Coudy et al., PLOS ONE (2021), Fig. 1

DNA 분주, 건조·봉입, 봉인 상태 검사. 보존 단위에 용기와 기체를 포함한 설계.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0259868

실리카 봉입의 형성·회수 과정

Paunescu et al., Nature Protocols (2013)

  • 양전하로 기능화한 입자에 DNA 흡착
  • Sol–gel 반응으로 실리카 보호층 형성
  • 보관 중 외부 반응물의 접근 제한
  • 보호층 제거 후 DNA 정제·판독
  1. 기능화 입자와 DNA 결합
  2. 실리카 보호층 형성
  3. 보관
  4. 보호층 제거·DNA 정제

https://doi.org/10.1038/nprot.2013.154

실리카와 오류정정을 결합한 파일 보존

Grass et al., Angewandte Chemie International Edition (2015)

실험 단계보고 내용
정보의 기록83 kB / 4,991 × 158 nt
가속 열화70 °C, 1주
정보의 회수실리카 제거 후 시퀀싱·오류정정
결과원본 정보의 오류 없는 복원
  • 입력 데이터: 83 kB
  • 합성 서열: 4,991개, 각 158 nt
  • 보호: 실리카 매트릭스 봉입
  • 70 °C에서 1주 처리 후 원본 정보 복원

https://doi.org/10.1002/anie.201411378

실리카의 보호 효과와 파일 복원의 관계

결과의 종류Grass 실험의 해석
실제 수행70 °C에서 1주 처리
직접 확인처리 후 원본 파일 복원
모형에서 환산중앙 유럽 환경의 약 2,000년 열적 등가
적용 조건같은 손상 속도 모형을 따르는 범위
  • 재료의 역할: 손상과 사본 소실의 감소
  • 부호의 역할: 오류와 소실된 서열의 보완
  • 측정 수명: 고온 노출에서 얻은 속도
  • 장기 수명: 온도 모형에 따른 환산

https://doi.org/10.1002/anie.201411378

알칼리 토금속 염의 안정화 연구

Kohll et al., Chemical Communications (2020)

항목연구의 비교 기준
첨가제Ca 계열 인산염·염화물, Mg 염화물
가속 조건70 °C / 50% RH
재료 사용량DNA loading과 보호 효과의 관계
시스템 효과혼합·건조와 재용해를 이용한 보존
  • 재료: calcium phosphate, CaCl2, MgCl2
  • 조건: 70 °C, 50% RH의 가속 열화
  • 방법: 염과 합성 DNA의 혼합·건조
  • 특징: 높은 DNA 함량에서의 안정화 평가

https://doi.org/10.1039/D0CC00222D

DNA loading과 패키지의 정보 밀도

지표분모확인할 추가 정보
DNA wt%DNA와 보호 재료의 질량추가한 염·고분자 양
bits/nt합성한 서열 길이주소·부호의 비율
bytes/mm³실제 저장 패키지 부피용기·빈 공간·회수율
  • DNA loading: 보호 재료 중 DNA의 질량 분율
  • 논리 밀도: 서열 길이당 복원 payload
  • 패키지 밀도: 용기·보호층을 포함한 부피 기준
  • 재료 비교: 같은 분모와 회수 조건의 사용

https://doi.org/10.1039/D0CC00222D ; https://doi.org/10.1002/smtd.202001094

Native DNA의 실리카 보존 평가

Ferrasse et al., Genome Biology (2026)

실험확인한 내용
상온 30일실제 보관 기간
−80 °C 대조군냉동 보관과 비교
N50 약 8–11 kb분자 길이의 유지
변이·메틸화 분석염기 서열 외 정보의 유지
  • 2026년 연구: 고분자량 genomic DNA
  • 실제 보관: 상온 30일과 −80 °C 냉동 비교
  • 비교 대상: GIAB 참조 유전체 3종
  • 분석: long-read 길이·변이·CpG methylation

https://doi.org/10.1186/s13059-026-04137-4

해체 가능한 유리상 고분자 네트워크

Prince et al., Journal of the American Chemical Society (2024)

Diagram showing the “encase and store” inset with zoomed in polymer and “deconstruct and retrieve,” with individual DNA strands, phases of DNA storage
MIT researchers / MIT News
  • T-REX: Thermoset-REinforced Xeropreservation
  • DNA를 가교된 유리상 고분자에 봉입
  • 외부 수분과 분자 이동을 제한하는 재료 설계
  • 회수 시 네트워크 해체와 DNA 분리
  1. DNA와 전구체 혼합
  2. 가교 네트워크 형성
  3. 보관
  4. 네트워크 해체·DNA 회수

https://doi.org/10.1021/jacs.4c01925 ; https://news.mit.edu/2024/scientists-preserve-dna-amber-polymer-0613

고분자 보호와 회수의 화학적 요구 조건

단계검토하는 화학적 성질
봉입DNA와 전구체의 상용성
보관수분 차단·유리상 재료의 안정성
해체선택적 결합 절단과 DNA 보존
정제잔류 물질과 후속 효소 반응
  • 봉입: 수성 DNA와 재료 전구체의 접촉
  • 보관: 낮은 수분 접근성과 분자 이동성
  • 해체: DNA를 보존하면서 보호 재료 분해
  • 후처리: 시퀀싱·효소 반응에 적합한 DNA 확보

https://doi.org/10.1021/jacs.4c01925

액정 조립체에 의한 DNA 보존

Zhang et al., Science Advances (2025), Fig. 2A–D 부분 확대

Zhang et al., Science Advances (2025), Fig. 2A–D (부분 확대)
  • DNA의 인산 골격과 양이온성 계면활성제의 결합
  • 소수성 사슬과 DNA가 교대로 배열된 lamellar structure
  • DNA 길이 688 bp–4.8 Mbp 범위의 적용 연구
  • 고농도 염으로 조립체 해체와 DNA 회수

https://doi.org/10.1126/sciadv.adu3957

액정 조립체에서의 DNA 회수

Zhang et al. (2025), Fig. 3A 부분 확대

Zhang et al., Science Advances (2025), Fig. 3A (부분 확대)
  • 연구의 회수 조건: 3 M sodium acetate, pH 5.2
  • 높은 이온 농도로 DNA–계면활성제 상호작용 변화
  • 조립체 해체 후 원심분리와 DNA 확보
  • 회수한 DNA의 시퀀싱·복호로 정보 확인
  1. 고농도 염 용액 처리
  2. 층상 조립체 해체
  3. DNA 회수
  4. 서열 판독·정보 복원

https://doi.org/10.1126/sciadv.adu3957

다공성 입자와 ZIF-8 보호층

Liu et al., Science Advances (2025), Fig. 5A–D 부분 확대

Liu et al., Science Advances (2025), Fig. 5A–D (부분 확대)
  • 내부: DNA를 흡착하는 다공성 고분자 입자
  • 외부: Zn²⁺와 2-methylimidazole의 ZIF-8 층
  • 보관: 세공 입구를 덮는 추가 보호층
  • 회수: citrate buffer 후 DNA 방출
  1. 다공성 입자에 DNA 흡착
  2. ZIF-8 외피 형성
  3. 외피 제거
  4. DNA 방출

https://doi.org/10.1126/sciadv.adw2613

복합 입자의 환경 노출 시험

Liu et al. (2025), Fig. 5E–G 부분 확대

Liu et al., Science Advances (2025), Fig. 5E–G (부분 확대)
  • UV 시험: 365 nm, 8 h
  • qPCR 기준 잔존량: 보호 약 39%, free DNA 약 13%
  • 별도 시험: methanol·DNase I·radical 노출
  • 판독 지표: 노출 후 증폭 가능한 DNA

https://doi.org/10.1126/sciadv.adw2613

9종 보존법의 동일 DNA 비교 실험

Organick et al., 저자 공개 원고 (2020), Fig. 1; published Small Methods (2021)
Organick et al., Small Methods (2021), Fig. 1 (저자 공개본)

동일 master mix의 분주, 온도별 가속 열화, qPCR과 NGS의 연계.

https://doi.org/10.1002/smtd.202001094

비교한 보존법과 시료 처리

분류본 실험의 조건
기준군No Additives
당·혼합물Trehalose, Sugar Mix
상용 첨가제DNAStable, GenTegra
물리적 형태Filter Paper, Imagene
복합·후처리Mag-Bind DNAStable, DNAStable + PCR
  • 기준군: 첨가제 없이 건조한 DNA
  • 첨가제: trehalose·sugar mix·상용 보존제
  • 보관 단위: filter paper·기밀 DNAshell
  • 추가 처리: 자성 입자 또는 보존 후 PCR

https://doi.org/10.1002/smtd.202001094

고온에서 측정한 DNA 감소와 수명 환산

Organick et al., 저자 공개 원고 (2020), Fig. 2; published Small Methods (2021)
Organick et al., Small Methods (2021), Fig. 2 (저자 공개본)

실제 열화 곡선과 모형에서 계산한 반감기. DNA 길이와 온도 조건의 확인.

https://doi.org/10.1002/smtd.202001094

가속 열화와 Arrhenius 외삽

Bonnet et al. (2010), Fig. 10

Figure 10. Open in a new tab Determination of room temperature degradation rate of DNA at low hydration according to Arrhenius’ model. Degradation rates (kT) were determined at t
Bonnet et al., Nucleic Acids Research (2010), Fig. 10
  • 실측: 높은 온도에서 얻은 손상 속도 k(T)
  • 관계식: 절대온도 T와 활성화 에너지 Eₐ
  • 외삽: 측정 범위 밖 온도의 속도 추정
  • 검증: 같은 지배 반응·수분 조건의 유지

k(T) = A exp(−Ea / RT)

https://doi.org/10.1093/nar/gkp1060

회수된 서열과 염기 오류의 측정

Organick et al., 저자 공개 원고 (2020), Fig. 4; published Small Methods (2021)
Organick et al., Small Methods (2021), Fig. 4 (저자 공개본)

Substitution, insertion, deletion의 구분. 사본 손실과 읽힌 염기의 오류율을 별도로 평가.

https://doi.org/10.1002/smtd.202001094

서열 소실과 표본화의 관계

Organick et al., 저자 공개 원고 (2020), Fig. 5; published Small Methods (2021)
Organick et al., Small Methods (2021), Fig. 5 (저자 공개본)

읽히지 않은 서열의 비율과 다른 표본에서의 재관측. 분자 소실·sampling·sequencing의 분리.

https://doi.org/10.1002/smtd.202001094

보존성·DNA 함량·회수 과정의 비교

해당 연구의 조건DNA loading회수
ETH 자성 나노입자3.4 wt%약 10–20 min의 여러 단계
Trehalose0.13 wt%단순 재수화
Sugar Mix0.095 wt%단순 재수화
기밀 DNAshell용기 포함 overhead개봉 장치와 재수화
  • 보존성을 높이는 보호 재료의 추가
  • DNA loading 감소에 따른 밀도 변화
  • 해체·정제 과정에 필요한 처리 시간
  • 같은 논문 안의 조건으로 비교

https://doi.org/10.1002/smtd.202001094

보존·회수·파일 복원의 대조군

비교분리할 수 있는 원인
입력 vs 즉시 회수봉입·회수 공정 손실
즉시 회수 vs 보관 후 회수보관 중 변화
정제 전후·희석 비교잔류 시약의 판독 영향
복호 결과 vs 원본실제 정보 보존
  • 입력량 대조: 봉입 전 DNA
  • 공정 대조: 봉입 직후 바로 회수
  • 열화 시료: 같은 방법으로 회수
  • 디지털 검증: consensus·오류정정·해시
확인·실습 문제

보존 재료 A와 B를 비교할 때 필요한 대조군과 측정값 4가지를 작성

https://doi.org/10.1002/smtd.202001094 ; https://doi.org/10.1002/anie.201411378

보존법 선택을 위한 논문 비교

보존 방법보호 원리접근·회수
염·당 혼합 건조이온 조성·건조 matrix재용해
실리카무기 매트릭스보호층 제거·정제
기밀 캡슐수분·산소 유입 제한개봉·재수화
해체형 고분자가교된 유리상 networknetwork 해체
액정·복합 입자분자 조립·외피이온 조건 변화·외피 제거
  • 간단한 재용해: 건조 첨가제·염
  • 물질 접근 차단: 실리카·기밀 용기
  • 재료의 선택적 해체: 고분자·액정 조립체
  • 복합 보호: 다공성 입자와 외피
확인·실습 문제

실온 장기 보관과 잦은 읽기 중 하나를 선택하고 적합한 방법 및 논문의 평가 근거 설명

https://doi.org/10.1039/D0CC00222D ; https://doi.org/10.1002/anie.201411378 ; https://doi.org/10.1021/jacs.4c01925 ; https://doi.org/10.1126/sciadv.adu3957