L’acqua per sintetizzare il DNA su chip
I chip di silicio guidano la rivoluzione informatica da mezzo secolo; ora, grazie alla ricerca sostenuta in parte dal progetto HYPERION, finanziato dall’UE, sono pronti a trasformare il modo in cui archiviamo le informazioni a livello biologico. In un importante studio(si apre in una nuova finestra) pubblicato sulla rivista «Nature Electronics», un’équipe internazionale di ricercatori ha stabilito un nuovo punto di riferimento per la sintesi enzimatica del DNA, riuscendo a scrivere in parallelo 64 sequenze di DNA distinte su un unico chip semiconduttore mediante l’impiego di un processo a base acquosa. Si tratta di un significativo passo in avanti rispetto al limite precedente, che si fermava ad appena una dozzina di sequenze. Questo risultato risolve un problema critico nell’archiviazione dei dati fondata sul DNA. Sebbene la chimica tradizionale a base di fosforamidite sia in grado di produrre milioni di sequenze, essa si avvale di solventi organici pericolosi e richiede strutture centralizzate; in tal senso, la sintesi enzimatica offre un’alternativa più pulita, a base acquosa, che imita la natura, eppure non ha mai raggiunto la scala necessaria per l’archiviazione pratica dei dati sino ad ora. Dimostrando che un chip è in grado di orchestrare reazioni enzimatiche parallele con elevata precisione, il team di ricerca ha avvicinato il settore ad acquisire le capacità necessarie per la fattibilità commerciale.
Precisione elettrochimica in acqua
L’innovazione fondamentale messa a disposizione da HYPERION risiede nella capacità del chip di controllare la chimica a livello microscopico utilizzando correnti elettriche. Per la sintesi del DNA è necessario aggiungere i nucleotidi uno per uno, una procedura che richiede la rimozione di un gruppo bloccante temporaneo (deprotezione) in siti specifici prima dell’aggiunta successiva. La squadra di ricercatori ha ottenuto questo risultato progettando elettrodi che generano protoni per abbassare localmente il pH, innescando la reazione enzimatica solo dove necessario. Il chip era stato originariamente progettato al fine della registrazione neuronale tramite iniezione di corrente di precisione. «A un certo punto ci siamo chiesti se quello stesso controllo della corrente potesse essere reindirizzato dalle cellule alle molecole, sostituendo gli elettrodi rivolti verso i neuroni con coppie di elettrodi ad anello in grado di localizzare il pH per la sintesi del DNA», afferma Donhee Ham, autore senior dello studio e docente presso Harvard, in un recente articolo(si apre in una nuova finestra). «L’idea ha funzionato.» Questa strutturazione elettrochimica consente al chip di far crescere 64 sequenze diverse in parallelo, che sono persino state impiegate dal team al fine di codificare un testo di 169 byte, mettendo in luce il potenziale per l’archiviazione di dati digitali. Come osserva Woo-Bin Jung. co-autore principale dello studio: «L’archiviazione dei dati basata sul DNA richiede che la sintesi di quest’ultimo operi su una scala molto al di là delle esigenze odierne. … Ecco perché la sintesi enzimatica in acqua può essere importante in tal ambito: se permettesse di sintetizzare in parallelo ben più di 64 sequenze, aprirebbe una strada ecocompatibile verso la scrittura del DNA su una scala molto ampia».
È la chimica a limitare la scalabilità, non l’elettronica
Nel cercare di far progredire ulteriormente la tecnologia, i ricercatori hanno scoperto che l’attuale limite non è più il chip di silicio in sé, ma la chimica utilizzata: tentando di disporre i siti di sintesi in modo più denso, hanno infatti scoperto che le molecole intermedie generate durante la fase di deprotezione si spostavano verso i siti vicini, rendendo meno netti i confini. «Il chip ha fatto ciò che gli abbiamo chiesto di fare, ovvero localizzare un pH basso in siti selezionati», commenta Han Sae Jung, co-autore principale dello studio. «Il limite derivava dalla chimica di deprotezione, non dal silicio: ciò indica chiaramente il prossimo passo da compiere in questo campo, ovvero sviluppare una chimica di deprotezione più diretta, guidata dall’acido, che sia in grado di stare al passo con il chip». I risultati forniscono una chiara tabella di marcia per il lavoro in corso messo in atto da 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)); superando questi ostacoli, il progetto si avvicinerà al proprio obiettivo di affermare la leadership europea nell’archiviazione dei dati basata sul DNA. Per maggiori informazioni, consultare: progetto HYPERION.
