Synthétiser de l’ADN sur une puce, avec de l’eau
Depuis un demi-siècle, les puces en silicium sont le moteur de la révolution informatique. Aujourd’hui, grâce à des travaux de recherche soutenus en partie par le projet HYPERION, financé par l’UE, elles sont sur le point de révolutionner la manière dont nous stockons les informations par des moyens biologiques. Dans une étude(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) historique publiée dans la revue «Nature Electronics», une équipe internationale de chercheurs a établi une nouvelle référence en matière de synthèse enzymatique de l’ADN. Ils ont réussi à écrire en parallèle 64 séquences d’ADN distinctes sur une seule puce semi-conductrice à l’aide d’un procédé à base d’eau. Il s’agit d’une avancée considérable par rapport à la limite précédente, qui n’était que d’une douzaine de séquences. Elle lève ainsi un obstacle majeur au stockage de données sur ADN. Si la chimie traditionnelle des phosphoramidites permet de produire des millions de séquences, elle repose sur des solvants organiques dangereux et nécessite des installations centralisées. La synthèse enzymatique offre une alternative plus propre, à base d’eau, qui imite la nature, mais elle n’a jusqu’à présent pas atteint l’échelle requise pour un stockage pratique des données. En démontrant qu’une puce peut orchestrer des réactions enzymatiques parallèles avec une grande précision, l’équipe de recherche a contribué à rapprocher ce domaine des capacités nécessaires à la viabilité commerciale.
Une précision électrochimique dans l’eau
L’innovation majeure d’HYPERION réside dans la capacité de la puce à contrôler les réactions chimiques à l’échelle microscopique à l’aide de courants électriques. La synthèse de l’ADN nécessite l’ajout de nucléotides un par un, une procédure qui exige la suppression d’un groupe bloquant temporaire (déprotection) à des sites spécifiques avant l’ajout suivant. L’équipe y est parvenue en concevant des électrodes qui génèrent des protons afin d’abaisser localement le pH, déclenchant ainsi la réaction enzymatique uniquement où elle est attendue. À l’origine, la puce avait été conçue pour l’enregistrement neuronal à l’aide d’une injection de courant de précision. «À un certain moment, nous nous sommes demandé si ce même contrôle du courant pouvait être redirigé des cellules vers les molécules, en remplaçant les électrodes orientées vers les neurones par des paires d’électrodes annulaires qui pourraient localiser le pH pour la synthèse de l’ADN», déclare Donhee Ham, auteur principal de l’étude et professeur à Harvard, dans un récent article(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre). «Ça a fonctionné.» Cette structuration électrochimique permet à la puce de faire croître 64 séquences différentes en parallèle. L’équipe a même recouru à ces séquences pour encoder un texte de 169 octets, illustrant ainsi le potentiel de ce procédé pour le stockage de données numériques. Comme le souligne Woo-Bin Jung, coauteur principal: «Le stockage de données sur ADN nécessite que la synthèse d’ADN opère à une échelle bien supérieure aux besoins actuels. (…) C’est pourquoi la synthèse enzymatique dans l’eau peut s’avérer cruciale. Si nous parvenons à synthétiser bien plus de 64 séquences en parallèle, nous pourrions ouvrir la voie à une méthode respectueuse de l’environnement pour l’écriture d’ADN à très grande échelle.»
C’est la chimie, et non l’électronique, qui limite l’échelle
En poussant la technologie plus loin, les chercheurs ont découvert que la limite actuelle n’est plus la puce en silicium elle-même, mais la chimie utilisée. En tentant de densifier davantage les sites de synthèse, ils ont constaté que les molécules intermédiaires générées lors de la déprotection dérivaient vers les sites voisins, brouillant ainsi les limites. «La puce a fait ce que nous lui avons demandé: elle a localisé un pH faible sur des sites sélectionnés», commente Han Sae Jung, coauteur principal. «La limite provenait de la chimie de déprotection, et non du silicium. Ce constat ouvre clairement la voie à la prochaine étape dans ce domaine: développer une chimie de déprotection plus directe, pilotée par un acide, capable de suivre le rythme de la puce.» Ces résultats fournissent une feuille de route claire pour la poursuite des travaux du projet 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)). Surmonter ces obstacles permettra au projet de se rapprocher un peu plus de l’objectif visant à asseoir le leadership européen dans le domaine du stockage de données basé sur l’ADN. Pour plus d’informations, veuillez consulter: projet HYPERION
