1564
Кремнієві чипи десятиліттями були основою сучасних обчислень. Тепер дослідники дають їм цілком нову роль у біотехнологіях — окрім обробки інформації, ці чипи дедалі частіше застосовують для вивчення живих систем, а тепер і для створення ДНК. У новому дослідженні, опублікованому в Nature Electronics, команда під керівництвом Гарварду представила кремнієвий чип, здатний синтезувати 64 різні послідовності ДНК одночасно. Роботу очолив професор інженерії та прикладних наук Донхі Гам.
Замість насиченого розчинниками хімічного процесу, яким зазвичай виготовляють синтетичну ДНК, пристрій використовує ферментативний підхід на водній основі. Ретельно контрольовані електричні струми запускають реакції побудови ДНК у конкретних місцях по всьому чипу. Синтетична ДНК необхідна для багатьох галузей сучасної науки й медицини — діагностики, геномної інженерії, онкодосліджень.
Сьогодні більшість замовної ДНК виробляють методом фосфорамідитної хімії, який може виготовляти мільйони послідовностей паралельно, але залежить від небезпечних органічних розчинників і зазвичай потребує спеціалізованих централізованих потужностей. Ферментативний синтез вважають м’якшою альтернативою, бо він використовує воду й ближчий до того, як ДНК будують живі клітини. Проте досі ферментативні методи значно відставали за кількістю послідовностей, які можна виробити одночасно, — попередні демонстрації обмежувалися приблизно десятком. Чип гарвардської команди синтезував 64 різні послідовності, кожна завдовжки до 39 нуклеотидів.
ДНК збирають по одному нуклеотиду. Після додавання кожного тимчасова «блокувальна» група запобігає подальшому росту, і перед приєднанням наступного нуклеотида цю групу треба зняти в процесі «депротекції», який запускається кислими умовами (низьким pH). Щоб виробляти багато різних послідовностей водночас, потрібно знижувати pH лише у вибраних місцях під час кожного циклу — і чип робить це за допомогою крихітних електричних струмів.
Його поверхня містить 64 ділянки синтезу. Кожна має два концентричні кільцеві електроди навколо молекул ДНК, закріплених у центрі. Коли ділянку активують, внутрішній електрод генерує протони, що знижують локальний pH і дають ланцюгу ДНК рости, а зовнішній електрод прибирає протони, які розходяться назовні, утримуючи кислу область у межах однієї ділянки. Повторюючи цей процес циклами, чип незалежно будує 64 унікальні послідовності.
Цікаво, що чип спершу проєктували зовсім не для виробництва ДНК. Колишній аспірант Джеффрі Ебботт розробив цю кремнієву електроніку для запису електричної активності великих популяцій нейронів, а після переробки поверхневих електродів дослідники виявили, що та сама технологія може точно керувати хімічними умовами для синтезу ДНК. «Ми замислилися, чи можна перенаправити той самий контроль струму з клітин на молекули — і це спрацювало», — розповів Гам.
Окрім застосувань у синтетичній біології та діагностиці, команда продемонструвала ще одну можливість, закодувавши 64 синтезованими послідовностями текст обсягом 169 байтів. Зберігання даних у ДНК поки що довгострокова мета, бо потребує величезних масштабів виробництва, але ферментативний синтез у воді може ставати дедалі привабливішим з їх зростанням, зменшуючи використання розчинників і екологічний слід. Спроба масштабувати чип, розмістивши ділянки ближче, поки не вдалася — але виявила, що обмеженням є не сам кремній, а хімія депротекції, що й окреслює наступний крок для галузі.
