Τα τσιπ πυριτίου αποτελούν το θεμέλιο της σύγχρονης πληροφορικής εδώ και δεκαετίες. Τώρα, οι ερευνητές τους δίνουν έναν εντελώς νέο ρόλο στη βιοτεχνολογία. Εκτός από την επεξεργασία δεδομένων, αυτά τα τσιπ χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για τη μελέτη ζωντανών συστημάτων καταγράφοντας δραστηριότητα από νευρώνες, διαβάζοντας DNA και τώρα ακόμη και δημιουργώντας DNA.
Μια νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Nature ElectronicsΜια ερευνητική ομάδα υπό την ηγεσία του Χάρβαρντ αποκάλυψε ένα τσιπ πυριτίου ικανό να συνθέτει 64 διαφορετικές αλληλουχίες DNA ταυτόχρονα. Αντί να βασίζεται στη χημική διαδικασία έντασης διαλύτη που χρησιμοποιείται συνήθως για την παραγωγή συνθετικού DNA, η συσκευή χρησιμοποιεί μια ενζυματική μέθοδο με βάση το νερό. Τα προσεκτικά ελεγχόμενα ηλεκτρικά ρεύματα πυροδοτούν αντιδράσεις δόμησης DNA σε συγκεκριμένες θέσεις σε όλο το τσιπ.
Η μελέτη του John A. The Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) έγινε από τους Donnie Hamm, John A. και Elizabeth S. Armstrong, καθηγήτρια μηχανικής και εφαρμοσμένων επιστημών.
Ένας καθαρός τρόπος για να φτιάξετε DNA
Το συνθετικό DNA είναι απαραίτητο σε πολλούς τομείς της σύγχρονης επιστήμης και ιατρικής, συμπεριλαμβανομένων των διαγνωστικών, της μηχανικής του γονιδιώματος και της έρευνας για τον καρκίνο. Σήμερα, το περισσότερο προσαρμοσμένο DNA παράγεται χρησιμοποιώντας χημεία φωσφοραμιδίτη, μια καθιερωμένη μέθοδο που μπορεί να δημιουργήσει εκατομμύρια αλληλουχίες DNA παράλληλα. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία βασίζεται σε επικίνδυνους οργανικούς διαλύτες και συνήθως απαιτεί ειδικές εγκαταστάσεις συγκέντρωσης.
Οι επιστήμονες εξερευνούν την ενζυμική σύνθεση DNA ως μια πιο ήπια εναλλακτική λύση επειδή χρησιμοποιεί νερό και μοιάζει περισσότερο με τον τρόπο με τον οποίο τα ζωντανά κύτταρα παράγουν φυσικά το DNA. Η μέθοδος μπορεί τελικά να επιτρέψει μικρότερα, ασφαλέστερα και πιο ευρέως διαθέσιμα συστήματα σύνθεσης DNA.
Μέχρι τώρα, ωστόσο, οι ενζυματικές μέθοδοι υστερούσαν σε σχέση με τη συμβατική κατασκευή όσον αφορά τον αριθμό των αλληλουχιών DNA που μπορούν να παράγουν ταυτόχρονα. Οι προηγούμενες επιδείξεις περιορίζονταν σε περίπου δώδεκα ακολουθίες τη φορά. Το τσιπ της ομάδας του Χάρβαρντ συνέθεσε με επιτυχία 64 διαφορετικές αλληλουχίες DNA παράλληλα, μήκους 39 νουκλεοτιδίων το καθένα, θέτοντας ένα νέο ορόσημο για την τεχνολογία.
Πώς το τσιπ πυριτίου γράφει το DNA
Το DNA συναρμολογείται ένα νουκλεοτίδιο τη φορά. Μετά την προσθήκη κάθε νουκλεοτιδίου, μια προσωρινή ομάδα αποκλεισμού αποτρέπει την πρόσθετη ανάπτυξη. Προτού μπορέσει να συνδεθεί το επόμενο νουκλεοτίδιο, αυτή η ομάδα αποκλεισμού πρέπει να αφαιρεθεί με μια διαδικασία που ονομάζεται αποπροστασία, η οποία ενεργοποιείται από όξινες συνθήκες ή χαμηλό pH στο νερό.
Προκειμένου να παραχθούν πολλές διαφορετικές αλληλουχίες DNA ταυτόχρονα, είναι απαραίτητο να μειωθεί το pH μόνο σε επιλεγμένες θέσεις κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου σύνθεσης. Το τσιπ του Χάρβαρντ το επιτυγχάνει αυτό χρησιμοποιώντας μικροσκοπικά ηλεκτρικά ρεύματα.
Έχει 64 θέσεις σύνθεσης στην επιφάνειά του. Κάθε θέση έχει δύο ομόκεντρα ηλεκτρόδια δακτυλίου που περιβάλλουν το μόριο DNA αγκυρωμένα στο κέντρο. Όταν ενεργοποιείται μια συγκεκριμένη θέση, το εσωτερικό ηλεκτρόδιο δημιουργεί πρωτόνια που μειώνουν το τοπικό pH και επιτρέπουν στον κλώνο του DNA να αναπτυχθεί. Ταυτόχρονα, το εξωτερικό ηλεκτρόδιο αφαιρεί πρωτόνια που διαχέονται προς τα έξω, περιορίζοντας την όξινη περιοχή σε αυτή τη μοναδική θέση.
Επαναλαμβάνοντας αυτή τη διαδικασία σε πολλαπλούς κύκλους, το τσιπ παράγει ανεξάρτητα 64 μοναδικές αλληλουχίες DNA σε όλη την επιφάνειά του.
Από την έρευνα του εγκεφάλου μέχρι τη σύνθεση DNA
Είναι ενδιαφέρον ότι το τσιπ δεν σχεδιάστηκε αρχικά για να παράγει DNA.
Ο Τζέφρι Άμποτ, πρώην διδάκτορας στο εργαστήριο του Χαμ, αρχικά ανέπτυξε ηλεκτρονικά πυριτίου για την καταγραφή της ηλεκτρικής δραστηριότητας σε μεγάλους πληθυσμούς νευρώνων. Μετά τον επανασχεδιασμό των επιφανειακών ηλεκτροδίων, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι η ίδια υποκείμενη τεχνολογία μπορούσε να ελέγξει με ακρίβεια τις χημικές συνθήκες που απαιτούνται για τη σύνθεση του DNA.
“Ένα καθοριστικό χαρακτηριστικό του τσιπ ήταν η ακριβής έγχυση ρεύματος, την οποία χρησιμοποιήσαμε για να διαπεράσουμε τη νευρωνική μεμβράνη για ενδοκυτταρική πρόσβαση”, είπε ο Hamm. “Σε ένα ορισμένο σημείο, αναρωτηθήκαμε αν ο ίδιος έλεγχος ρεύματος θα μπορούσε να ανακατευθυνθεί από το κύτταρο στο μόριο, αντικαθιστώντας τα ηλεκτρόδια που βλέπουν τον νευρώνα με ζεύγη ηλεκτροδίου δακτυλίου που θα μπορούσαν να εντοπίσουν το pH για τη σύνθεση DNA. Λειτουργούσε.”
Η αποθήκευση δεδομένων DNA μπορεί να είναι μια μελλοντική εφαρμογή
Πέρα από πιθανές εφαρμογές στη συνθετική βιολογία και την ιατρική διαγνωστική, η ομάδα έδειξε μια άλλη δυνατότητα χρησιμοποιώντας 64 συνθετικές αλληλουχίες DNA για την κωδικοποίηση ενός κειμένου 169 byte.
Αν και η αποθήκευση δεδομένων με βάση το DNA παραμένει ένας μακροπρόθεσμος στόχος, επειδή θα απαιτούσε την παραγωγή DNA σε μεγάλη κλίμακα, οι ερευνητές πιστεύουν ότι η ενζυματική σύνθεση με βάση το νερό μπορεί να γίνει όλο και πιο ελκυστική καθώς αυξάνονται οι όγκοι παραγωγής. Η μείωση της χρήσης διαλυτών μπορεί να μειώσει σημαντικά τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της μεγάλης κλίμακας παραγωγής DNA.
«Η αποθήκευση δεδομένων DNA απαιτεί σύνθεση DNA για να λειτουργήσει σε πολύ υψηλότερη κλίμακα από ό,τι χρειάζεται σήμερα», δήλωσε ο Woo-Bin Jung, συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης και τώρα επίκουρος καθηγητής χημικής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Pohang (POSTEC), ο οποίος εργάστηκε ως μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Ham. “Η ενζυματική σύνθεση στο νερό είναι επομένως σημαντική. Εάν περισσότερες από 64 αλληλουχίες μπορούν να συντεθούν παράλληλα, αυτό θα μπορούσε να παρέχει μια φιλική προς το περιβάλλον διαδρομή για την εγγραφή DNA σε πολύ μεγάλη κλίμακα.”
Φράγμα μετά τη χημεία
Οι ερευνητές ήθελαν επίσης να μάθουν πόσο θα μπορούσε να κλιμακωθεί το τσιπ. Κατασκεύασαν το τσιπ τοποθετώντας τις θέσεις σύνθεσης πιο κοντά μεταξύ τους, ελπίζοντας να αυξήσουν τον αριθμό των αλληλουχιών DNA που παράγονται ταυτόχρονα.
Το πείραμα δεν ήταν επιτυχές, αλλά αποκάλυψε μια σημαντική εικόνα. Το ίδιο το τσιπ περιορίζει τέλεια το χαμηλό pH στην προβλεπόμενη θέση. Ο πραγματικός περιορισμός προέρχεται από τη χημεία που χρησιμοποιείται κατά την αποπροστασία.
Αντί να αφαιρεί άμεσα τις ομάδες αποκλεισμού, το χαμηλό pH δημιουργεί ενδιάμεσα μόρια που εκτελούν το βήμα αποπροστασίας. Αυτά τα ενδιάμεσα μόρια μπορούν να ρέουν σε γειτονικές θέσεις σύνθεσης, μειώνοντας τον διαχωρισμό μεταξύ των αντιδράσεων, παρόλο που το pH ελέγχεται αυστηρά.
«Το τσιπ έκανε αυτό που του ζητήσαμε: εντόπισε χαμηλό pH σε επιλεγμένες τοποθεσίες», δήλωσε ο Han Sae Jung, συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης και πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής και σημερινός μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Χάρβαρντ. “Ο περιορισμός προέρχεται από τη χημεία αποπροστασίας, όχι από το πυρίτιο. Αυτό αφήνει ένα σαφές επόμενο βήμα για το πεδίο — αναπτύξτε μια πιο άμεση χημεία αποπροστασίας που βασίζεται σε οξύ που μπορεί να συμβαδίσει με το τσιπ.”
Συνεργασία και υποστήριξη έρευνας
Το έργο ήταν μια συνεργασία μεταξύ ερευνητών του Χάρβαρντ, του Broad Institute, του DNA Script και αργότερα της PostTech. Το Γραφείο Ανάπτυξης Τεχνολογίας του Χάρβαρντ κατέθεσε πνευματική ιδιοκτησία που σχετίζεται με την Πλατφόρμα. Ο τίτλος της έρευνας είναι “Parallel Enzymatic DNA Synthesis Using a Semiconductor Chip”.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε εν μέρει από το National Intelligence (ODNI), Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), 2019-19081900002, Horizon Europe, Hyperion Project ID: 101115253, και Samsung Research Funding and Incubation Center of Samsung Research Funding and Incubation Center for N Intelligence Research. SRFC-IT2402-09.
