Synthetische DNS auf einem Chip mittels Wasser erzeugen
Siliziumchips sind seit einem halben Jahrhundert die treibende Kraft für die Revolution in der Informatik. Dank der durch die EU mitfinanzierten Forschung von Projekt HYPERION steht eine wegweisende neue Art der biologischen Informationsspeicherung in Aussicht. Im Zuge einer bahnbrechenden Studie(öffnet in neuem Fenster), die in „Nature Electronics“ veröffentlicht wurde, hat ein internationales Forschungsteam einen neuen Maßstab für die enzymatische DNS-Synthese gesetzt. Dem Team gelang es, mithilfe eines wasserbasierten Verfahrens 64 unterschiedliche DNS-Sequenzen parallel auf einen einzigen Halbleiterchip zu schreiben. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt gegenüber der bisherigen Grenze von nur ein paar Dutzend Sequenzen dar. Diese Errungenschaft geht einen entscheidenden Engpass bei der DNS-Datenspeicherung an. Zwar lassen sich mit herkömmlicher Phosphoramidit-Chemie Millionen von Sequenzen erzeugen, doch sind dafür gefährliche organische Lösungsmittel und zentrale Anlagen erforderlich. Die enzymatische Synthese offeriert eine sauberere, wasserbasierte Alternative nach dem Vorbild der Natur, der bislang jedoch die für eine praktische Datenspeicherung erforderliche Skalierbarkeit fehlte. Da das Forschungsteam nachweisen konnte, dass ein Chip parallele enzymatische Reaktionen mit hoher Präzision orchestrieren kann, wurde das Forschungsgebiet den für die kommerzielle Durchführbarkeit erforderlichen Kapazitäten einen Schritt nähergebracht.
Elektrochemische Präzision in Wasser
Die zentrale Innovation von HYPERION liegt in der Fähigkeit des Chips, chemische Vorgänge auf mikroskopischer Ebene mittels elektrischer Ströme zu steuern. Die DNS-Synthese bedarf des Hinzufügens einzelner Nukleotide – ein Verfahren, das die Entfernung einer temporären Schutzgruppe (Deprotektion) an bestimmten Stellen vor dem nächsten Hinzufügen erfordert. Das Team erreichte dies durch die Entwicklung von Protonen erzeugenden Elektroden, um den pH-Wert lokal zu senken und so die enzymatische Reaktion nur dort auszulösen, wo sie benötigt wird. Der Chip war ursprünglich für die Aufzeichnung neuronaler Aktivitäten mittels präziser Strominjektion konzipiert. „Irgendwann fragten wir uns, ob sich diese Stromsteuerung von Zellen auf Moleküle übertragen ließe – indem man die den Neuronen zugewandten Elektroden durch Ringelektrodenpaare ersetzt, die den pH-Wert für die DNS-Synthese lokalisieren“, erklärt Hauptautor und Harvard-Professor Donhee Ham in einer aktuellen Pressemitteilung(öffnet in neuem Fenster). „Das funktionierte.“ Durch diese elektrochemische Strukturierung können auf dem Chip 64 verschiedene Sequenzen parallel erzeugt werden. Das Team nutzte diese Sequenzen sogar, um einen 169-Byte-Text zu kodieren, was das Potenzial für die digitale Datenspeicherung verdeutlicht. Wie Co-Hauptautor Woo-Bin Jung anmerkt: „Die DNS-Datenspeicherung macht die DNS-Synthese in einem Maßstab erforderlich, der weit über den heutigen Bedarf hinausgeht. … Aus diesem Grund kann die enzymatische Synthese in Wasser von Bedeutung sein. Wenn weit mehr als 64 Sequenzen parallel synthetisiert werden können, könnte dies einen umweltfreundlichen Weg zum Schreiben von DNS in einem sehr großem Maßstab eröffnen.“
Die Chemie, nicht die Elektronik, begrenzt den Maßstab
Bei der Weiterentwicklung der Technologie stellten die Forscherinnen und Forscher fest, dass die derzeitige Grenze nicht mehr der Siliziumchip selbst ist, sondern die verwendete Chemie. Beim Versuch, die Synthesestellen dichter zu packen, fiel auf, dass während der Deprotektion entstehende Zwischenmoleküle zu benachbarten Stellen drifteten und so die Grenzen verwischten. „Der Chip hat genau das getan, was wir von ihm erwartet haben: Er hat an ausgewählten Stellen einen niedrigen pH-Wert erzeugt“, kommentiert Co-Hauptautor Han Sae Jung. „Die Grenze resultierte aus der Deprotektionschemie, nicht aus dem Silizium.“ Damit liegt der nächste Schritt für das Forschungsgebiet klar auf der Hand – die Entwicklung einer direkteren, säuregetriebenen Deprotektionschemie, die mit dem Chip Schritt halten kann.“ Die Ergebnisse zeigen einen klaren Fahrplan für die weiteren Arbeiten an Projekt HYPERION (Proof of concept of affordable and scalable DNA data storage by developing a writing technology based on enzymatic DNA synthesis with a very dense semiconductor integrated circuit (CMOS chip)) auf. Die Überwindung dieser Hürden wird dazu beitragen, das Projekt einen Schritt näher an die Etablierung einer europäischen Führungsrolle im Bereich der DNS-basierten Datenspeicherung zu bringen. Weitere Informationen: Projekt HYPERION
