Вчені створили кремнієвий ДНК-принтер — для медицини, досліджень та зберігання даних

Група дослідників з Гарварду перетворила кремнієвий напівпровідниковий чіп на мініатюрну установку для паралельного синтезу безлічі молекул ДНК. Зазвичай такі платформи синтезували не більше дюжини послідовностей одночасно. Але найбільший прорив відбувся з точки зору екологічної чистоти процесу, що є важливим для масштабування технології зберігання даних у ДНК.

Джерело зображення: ШІ-генерація ChatGPT/3DNews

Сучасне промислове виробництво синтетичної ДНК давно спирається на фосфорамідитний процес: він добре масштабується і дозволяє створювати мільйони послідовностей паралельно, але вимагає надзвичайно шкідливих органічних розчинників і спеціалізованого обладнання. Ферментативний синтез, який просуває група з Гарварду, ближчий до того, як ДНК збирається в живих клітинах: реакції відбуваються у воді, що безпечно для навколишнього середовища, і потенційно сумісні з компактними настільними або навіть портативними ДНК-синтезаторами.

Паралельна збірка безлічі послідовностей ДНК на таких настільних або портативних системах довгий час залишалася їх слабким місцем. Як правило, вони могли одночасно збирати близько 12 послідовностей ДНК, що не підходить для масового виробництва, тоді як гарвардський чіп довів цей показник до 64 послідовностей довжиною до 39 нуклеотидів кожна.

У процесі роботи чіп управляє не самим ферментом безпосередньо, а регулює локальну кислотність середовища на ділянці синтезу. Під час синтезу ДНК кожен новий нуклеотид тимчасово блокується захисною групою молекул, щоб ланцюг не зростав неконтрольованим чином. Перед додаванням наступного нуклеотиду цю групу потрібно прибрати — провести так зване деблокування. Для цього необхідно різко підвищити кислотність в районі ділянки синтезу, але при цьому важливо не вплинути на кислотність в інших зонах, щоб не заважати їм синтезувати ДНК у власному режимі.

Для створення локальних зон з регульованою кислотністю вчені створили на поверхні чіпа 64 майданчики для синтезу, кожна з двома концентричними кільцевими електродами навколо закріплених молекул ДНК. Внутрішній електрод при подачі струму генерує протони, і це локально підвищує кислотність розчину, що запускає процес зняття захисної групи, а зовнішній електрод «поглинає» розповсюджувані протони, утримуючи область підвищеної кислотності в межах вибраної площадки. Таким чином, можна циклічно і незалежно нарощувати різні ДНК-ланцюги на одному кристалі.

Цікаво, що базова електроніка чіпа виросла з іншого завдання: раніше платформу розробляли для внутрішньоклітинної реєстрації активності великих масивів нейронів, де вимагалися точні і дозовані величини струму. Після переробки поверхні та ж здатність до точного управління струмом виявилася корисною для просторового контролю pH розчину під час синтезу ДНК. Більше того, в якості демонстрації дослідники записали в 64 синтезовані послідовності текст обсягом 169 байт, вказавши на можливе застосування технології для ДНК-сховищ даних.

Далі питання впирається в масштабування технології, але цьому заважають не техпроцеси обробки кремнієвих чіпів, а базова хімія реакцій синтезу ДНК. Однак крок у потрібному напрямку вже зроблено. Залишилося пройти цей шлях до кінця.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки