Учёные создали полупроводниковую платформу для ферментативного производства синтетической ДНК, объединив микроэлектронику с биохимическим синтезом молекул
Учёные из Гарвардского университета разработали кремниевый чип, способный одновременно создавать 64 различные последовательности ДНК. Устройство использует электрическое управление химическими реакциями и позволяет синтезировать молекулы ДНК с помощью водного ферментативного метода вместо традиционного процесса, основанного на органических растворителях.
Учёные показали, что полупроводниковые технологии могут использоваться не только для обработки информации, но и для управления биологическими процессами на молекулярном уровне.
Синтетическая ДНК необходима для множества направлений современной биологии и медицины: разработки диагностических методов, геномной инженерии и исследований рака. Сегодня индивидуальные последовательности ДНК в основном производят с помощью фосфорамидитной химии — надёжного метода, который позволяет одновременно получать большое количество молекул. Однако этот процесс требует применения токсичных органических растворителей и обычно выполняется на специализированных производственных площадках.
Ферментативный синтез ДНК рассматривается как более мягкая альтернатива, поскольку использует воду и повторяет принципы, близкие к естественной сборке ДНК в живых клетках. Такой подход потенциально позволяет создавать более компактные и доступные системы производства искусственных последовательностей.
Однако до сих пор ферментативные методы значительно уступали традиционной химии по числу последовательностей, которые можно получать одновременно.
Новый кремниевый чип увеличил этот показатель до 64 последовательностей. Каждая из них может содержать до 39 нуклеотидов — отдельных строительных блоков ДНК. Для параллельного синтеза учёные создали 64 независимых участка на поверхности микросхемы, каждый из которых может управлять собственной реакцией.
Принцип работы основан на точном изменении кислотности раствора. При сборке ДНК новые нуклеотиды добавляются по одному. После каждого этапа специальная защитная группа временно останавливает дальнейший рост цепи, а перед добавлением следующего элемента её необходимо удалить. В разработанной системе это происходит за счёт локального снижения уровня pH с помощью электрического тока.
Каждый участок синтеза на чипе содержит два кольцевых электрода, расположенных вокруг закреплённой в центре молекулы ДНК. Когда активируется конкретный участок, внутренний электрод создаёт поток протонов, который снижает pH только в этой области и запускает следующий этап реакции. Внешний электрод удаляет избыточные протоны, ограничивая распространение кислой среды на соседние участки. Благодаря этому разные области чипа могут одновременно создавать разные последовательности ДНК.
Примечательно, что изначально эта технология разрабатывалась для другой задачи. Исследовательская группа создавала электронные системы для регистрации электрической активности больших групп нейронов. Позже учёные изменили конструкцию электродов и обнаружили, что тот же механизм можно использовать для контроля химических реакций при синтезе ДНК.
Учёные также проверили потенциальное применение технологии для хранения цифровых данных в ДНК. Используя 64 синтезированные последовательности, команда закодировала текст размером 169 байт. Хотя ДНК-хранилища данных пока требуют масштабирования производства до уровней, значительно превышающих современные возможности, исследователи считают, что водный ферментативный синтез может стать более экологичным вариантом для будущих систем массового производства.
При попытке увеличить количество участков синтеза команда обнаружила, что главным ограничением оказался не сам кремниевый чип. Электронная система успешно удерживала область низкого pH в нужном месте, однако проблемы возникли из-за химии процесса удаления защитных групп. Во время реакции образуются промежуточные соединения, которые могут распространяться между соседними участками и снижать точность параллельного синтеза.
«Чип сделал именно то, что мы от него требовали: он локализовал низкий pH в выбранных областях. Ограничение оказалось связано не с кремнием, а с химией удаления защитных групп», — отметил Хан Сэ Чжун (Han Sae Jung), один из ведущих авторов работы.
Следующим этапом для этой технологии станет разработка более прямого химического механизма удаления защитных групп, который позволит использовать преимущества кремниевой платформы при дальнейшем увеличении числа одновременно создаваемых последовательностей.
