Учёные успешно синтезировали 64 последовательности ДНК с помощью кремниевого чипа

Учёные разработали полупроводниковую платформу для ферментативного синтеза синтетической ДНК, сочетая микроэлектронику с биохимическим производством молекул

Наука и космос012 июл 23:52

Исследователи из Гарвардского университета создали кремниевый чип, который способен одновременно генерировать 64 различных последовательности ДНК. Устройство применяет электрическое управление химическими реакциями и позволяет синтезировать молекулы ДНК, используя водный ферментативный метод, заменяющий традиционный процесс, основанный на органических растворителях.

Учёные продемонстрировали, что полупроводниковые технологии могут быть использованы не только для обработки данных, но и для контроля биологических процессов на молекулярном уровне.

Синтетическая ДНК необходима для множества направлений современной биологии и медицины, включая разработку диагностических методов, геномную инженерию и исследования рака. В настоящее время индивидуальные последовательности ДНК в основном синтезируются с использованием фосфорамидитной химии — надёжного метода, позволяющего одновременно получать большое количество молекул. Однако этот процесс требует использования токсичных органических растворителей и чаще всего осуществляется на специализированных производственных площадках.

Ферментативный синтез ДНК рассматривается как более щадящий вариант, так как использует воду и воспроизводит принципы, схожие с естественным процессом сборки ДНК в живых организмах. Такой подход потенциально позволяет создавать более компактные и доступные системы для производства искусственных последовательностей.

Тем не менее, до сих пор ферментативные методы значительно уступали традиционной химии по количеству последовательностей, которые можно получать одновременно.

Новый кремниевый чип увеличил этот показатель до 64 последовательностей. Каждая из них может включать до 39 нуклеотидов — отдельных строительных блоков ДНК. Для параллельного синтеза учёные создали 64 независимых участка на поверхности микросхемы, каждый из которых способен управлять своей 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, и перед добавлением следующего элемента её необходимо удалить. В разработанной системе это достигается за счёт локального снижения уровня pH с помощью электрического тока.

Каждый участок синтеза на чипе включает 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. Это позволяет различным областям чипа одновременно создавать разные последовательности ДНК.

Примечательно, что изначально эта технология разрабатывалась для другой цели. Исследовательская группа создавала электронные системы для регистрации электрической активности больших групп нейронов. Позже учёные изменили конструкцию электродов и обнаружили, что тот же механизм можно применять для контроля химических реакций при синтезе ДНК.

Учёные также проверили потенциальное использование технологии для хранения цифровых данных в ДНК. Используя 64 синтезированные последовательности, команда закодировала текст объёмом 169 байт. Несмотря на то что ДНК-хранилища данных пока требуют масштабирования производства до уровней, значительно превышающих современные возможности, исследователи полагают, что водный ферментативный синтез может стать более экологически чистым вариантом для будущих систем массового производства.

При попытке увеличить количество участков синтеза команда обнаружила, что основным ограничением стал не сам кремниевый чип. Электронная система успешно поддерживала 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 ожидали: 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 шагом для этой технологии станет разработка более прямого химического механизма удаления защитных групп, что позволит использовать преимущества кремниевой платформы при дальнейшем увеличении числа одновременно создаваемых последовательностей.

Darth SaharaИсточники:Nature ElectronicsНаука и космос012 июл 23:52

Источник