Synteza DNA na chipie z wykorzystaniem wody
Chipy krzemowe od pół wieku napędzają rewolucję informatyczną. Teraz, dzięki badaniom wspieranym częściowo przez finansowany ze środków UE projekt HYPERION, mają one szansę zrewolucjonizować biologiczne sposoby przechowywania informacji. W przełomowym badaniu badaniu(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opublikowanym w czasopiśmie „Nature Electronics” międzynarodowy zespół naukowców ustanowił nowy standard w dziedzinie enzymatycznej syntezy DNA. Zespołowi udało się równolegle zapisać 64 różne sekwencje DNA na jednym chipie półprzewodnikowym przy użyciu procesu opartego na wodzie. Stanowi to znaczny skok w stosunku do poprzedniego limitu, który wynosił zaledwie kilkanaście sekwencji. Osiągnięcie to rozwiązuje poważny problem związany z przechowywaniem danych w DNA. Chociaż tradycyjna chemia amidofosforyn pozwala na wytworzenie milionów sekwencji, opiera się na niebezpiecznych rozpuszczalnikach organicznych i wymaga scentralizowanych obiektów. Synteza enzymatyczna oferuje czystszą, opartą na wodzie alternatywę naśladującą przyrodę, jednak dotychczas nie miała skali niezbędnej do praktycznego przechowywania danych. Wykazując, że chip może koordynować równoległe reakcje enzymatyczne z wysoką precyzją, zespół badawczy przybliżył tę dziedzinę do osiągnięcia wydajności niezbędnej do komercyjnej opłacalności.
Elektrochemiczna precyzja w wodzie
Podstawowa innowacja projektu HYPERION polega na zdolności chipa do kontrolowania procesów chemicznych na poziomie mikroskopowym za pomocą prądów elektrycznych. Synteza DNA wymaga dodawania nukleotydów jednego po drugim, co wiąże się z koniecznością usunięcia tymczasowej grupy blokującej (deprotekcja) w określonych miejscach przed dodaniem kolejnego nukleotydu. Zespół osiągnął to poprzez zaprojektowanie elektrod generujących protony w celu lokalnego obniżenia pH, co wyzwala reakcję enzymatyczną tylko tam, gdzie to konieczne. Chip został pierwotnie zaprojektowany do rejestracji aktywności neuronów przy użyciu precyzyjnego wstrzykiwania prądu. „W pewnym momencie zaczęliśmy się zastanawiać, czy tę samą kontrolę prądu można by przekierować z komórek do cząsteczek — zastępując elektrody oddziałujące z neuronami parami elektrod pierścieniowych, które mogłyby lokalizować pH na potrzeby syntezy DNA”, stwierdza główny autor badania i profesor Uniwersytetu Harvarda, Donhee Ham w niedawnej informacji prasowej(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „To zadziałało”. Dzięki elektrochemicznemu wzorcowaniu układ może równolegle produkować 64 różne sekwencje. Zespół nawet wykorzystał te sekwencje do zakodowania tekstu o długości 169 bajtów, demonstrując w ten sposób potencjał cyfrowego przechowywania danych. Jak zauważa jeden z głównych współautorów badania Woo-Bin Jung: „Przechowywanie danych w DNA wymaga, aby synteza DNA przebiegała na skalę znacznie wykraczającą poza dzisiejsze potrzeby. Dlatego synteza enzymatyczna w wodzie może mieć znaczenie. Jeśli uda się syntetyzować równolegle znacznie więcej niż 64 sekwencje, może to stanowić przyjazny dla środowiska sposób zapisu DNA na bardzo dużą skalę”.
To chemia, a nie elektronika, ogranicza skalę
Rozwijając tę technologię, naukowcy odkryli, że obecnym ograniczeniem nie jest już sam chip krzemowy, ale stosowane substancje chemiczne. Próbując zagęścić miejsca syntezy, naukowcy odkryli, że cząsteczki pośrednie, powstające podczas deprotekcji, przemieszczały się do sąsiednich miejsc, zacierając granice. „Układ wykonał to, o co go prosiliśmy: zlokalizował niskie pH w wybranych miejscach”, komentuje jeden z głównych współautorów Han Sae Jung. „Ograniczenie wynikało z procesu usuwania grup ochronnych, a nie z komponentów krzemowych. Zostawia to jasno określony następny krok dla tej dziedziny — opracowanie bardziej bezpośredniej reakcji chemicznej deprotekcji za pomocą kwasu, która będzie mogła dotrzymać kroku układowi scalonemu”. Wyniki badań zapewniają jasny plan działania dla trwających prac w ramach projektu 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)). Pokonanie tych przeszkód pomoże przybliżyć projekt o krok do zapewnienia europejskiego przywództwa w dziedzinie opartego na DNA przechowywania danych. Więcej informacji: projekt HYPERION
