Sintetizar el ADN en un chip utilizando agua
Los chips de silicio han impulsado la revolución informática durante medio siglo. Ahora, gracias a una investigación financiada en parte por el proyecto HYPERION, financiado con fondos europeos, están a punto de revolucionar la forma en que almacenamos la información de forma biológica. En un estudio(se abrirá en una nueva ventana) histórico publicado en «Nature Electronics», un equipo internacional de investigadores ha establecido un nuevo referente para la síntesis enzimática del ADN. El equipo ha logrado escribir sesenta y cuatro secuencias de ADN distintas en paralelo en un único chip semiconductor mediante un proceso basado en agua. Esto es un avance significativo respecto al límite anterior, que era de apenas una docena de secuencias. Con este logro se resuelve un cuello de botella crítico en el almacenamiento de datos en el ADN. Aunque la química tradicional basada en fosforamiditos puede producir millones de secuencias, depende de disolventes orgánicos peligrosos y requiere instalaciones centralizadas. La síntesis enzimática ofrece una alternativa más limpia, basada en agua, que imita a la naturaleza, pero históricamente ha carecido de la escala necesaria para el almacenamiento práctico de datos. Al demostrar que un chip puede coordinar reacciones enzimáticas en paralelo con gran precisión, el equipo de investigación ha acercado este campo a las capacidades necesarias para su viabilidad comercial.
Precisión electroquímica en agua
La innovación fundamental de HYPERION reside en la capacidad del chip para controlar la química a nivel microscópico mediante corrientes eléctricas. La síntesis de ADN requiere añadir nucleótidos uno a uno, un procedimiento que exige la eliminación de un grupo bloqueante temporal (desprotección) en sitios específicos antes de la siguiente adición. El equipo lo logró diseñando electrodos que generan protones para reducir el pH de forma localizada, lo que desencadena la reacción enzimática solo donde es necesario. El chip se diseñó originalmente para el registro neuronal mediante la inyección de corriente de precisión. «En cierto momento, nos preguntamos si ese mismo control de corriente podría redirigirse de las células a las moléculas, reemplazando los electrodos orientados hacia las neuronas con pares de electrodos anulares que pudieran localizar el pH para la síntesis de ADN», afirma el autor principal del estudio y catedrático de Harvard, Donhee Ham, en un artículo reciente publicado en una noticia(se abrirá en una nueva ventana). «Funcionó». Este patrón electroquímico permite al chip generar sesenta y cuatro secuencias diferentes en paralelo. El equipo incluso utilizó estas secuencias para codificar un texto de 169 bytes, lo que ilustra el potencial para el almacenamiento de datos digitales. Como señala el coautor principal, Woo-Bin Jung: «El almacenamiento de datos en ADN requiere que la síntesis de ADN opere a una escala que va mucho más allá de las necesidades actuales. … Por eso la síntesis enzimática en agua puede ser importante. Si se pueden sintetizar en paralelo muchas más de sesenta y cuatro secuencias, podría ofrecer una vía respetuosa con el medio ambiente para escribir ADN a muy gran escala».
La química, y no la electrónica, limita la escala
Al avanzar en esta tecnología, los investigadores descubrieron que la limitación actual ya no es el propio chip de silicio, sino la química utilizada. Al intentar agrupar los sitios de síntesis con mayor densidad, observaron que las moléculas intermedias generadas durante la desprotección se desplazaban hacia los sitios vecinos, lo que difumina los límites. «El chip hizo lo que le pedimos: localizó un pH bajo en los sitios seleccionados», comenta el coautor principal, Han Sae Jung. «La limitación provino de la química de desprotección, no del silicio. Esto deja un siguiente paso claro para el sector: desarrollar una química de desprotección más directa, basada en ácidos, que pueda seguir el ritmo del chip». Los hallazgos proporcionan una hoja de ruta clara para el trabajo en curso del equipo del proyecto 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)). Superar estos obstáculos contribuirá a que el proyecto dé un paso más hacia el liderazgo europeo en el almacenamiento de datos basado en el ADN. Para más información, consulte: Proyecto HYPERION
