Исследователи создали полупроводниковую платформу для ферментативного синтеза синтетической ДНК, сочетая микроэлектронику с биохимическим производством молекул
Наука и космос037 минут назад
Группа учёных из Гарвардского университета разработала кремниевый чип, который способен одновременно генерировать 64 различные последовательности ДНК. Это устройство управляет химическими реакциями с помощью электричества, позволяя синтезировать молекулы ДНК с использованием водного ферментативного метода вместо традиционного, основанного на органических растворителях.
Исследователи продемонстрировали, что полупроводниковые технологии могут применяться не только для обработки данных, но и для управления биологическими процессами на молекулярном уровне.
Синтетическая ДНК необходима для множества областей современной биологии и медицины, включая разработку диагностических методов, геномную инженерию и исследования в области онкологии. В настоящее время индивидуальные последовательности ДНК в основном создаются с использованием фосфорамидитной химии — надёжного метода, позволяющего одновременно производить большое количество молекул. Однако этот процесс требует использования токсичных органических растворителей и обычно выполняется на специализированных производственных мощностях.
Ферментативный синтез ДНК рассматривается как более щадящая альтернатива, так как использует воду и воспроизводит принципы, близкие к естественному сбору ДНК в живых клетках. Такой подход потенциально позволяет создавать более компактные и доступные системы для производства искусственных последовательностей.
Тем не менее, до недавнего времени ферментативные методы значительно уступали традиционной химии по количеству последовательностей, которые можно было получать одновременно.
Новый кремниевый чип увеличил этот показатель до 64 последовательностей. Каждая из них может включать до 39 нуклеотидов — отдельных строительных блоков ДНК. Для параллельного синтеза учёные создали 64 независимых участка на поверхности микросхемы, каждый из которых может управлять своей реакцией.
Принцип работы основан на точном регулировании кислотности раствора. При сборке ДНК новые нуклеотиды добавляются один за другим. После каждого этапа специальная защитная группа временно останавливает дальнейший рост цепи, и перед добавлением следующего элемента её необходимо удалить. В разработанной системе это достигается за счёт локального снижения уровня pH с помощью электрического тока.
Каждый участок синтеза на чипе содержит два кольцевых электрода, расположенных вокруг закреплённой в центре молекулы ДНК. Когда активируется определённый участок, внутренний электрод создаёт поток протонов, который снижает pH только в этой области и запускает следующий этап реакции. Внешний электрод удаляет избыточные протоны, ограничивая распространение кислой среды на соседние участки. Благодаря этому различные области чипа могут одновременно создавать разные последовательности ДНК.
Интересно, что изначально эта технология разрабатывалась для иной цели. Исследовательская группа создавала электронные системы для регистрации электрической активности больших групп нейронов. Позже учёные изменили конструкцию электродов и обнаружили, что тот же механизм можно использовать для контроля химических реакций при синтезе ДНК.
Учёные также проверили потенциальное применение технологии для хранения цифровых данных в ДНК. Используя 64 синтезированные последовательности, команда закодировала текст размером 169 байт. Хотя ДНК-хранилища данных пока требуют масштабирования производства до уровней, значительно превышающих современные возможности, исследователи считают, что водный ферментативный синтез может стать более экологически чистым вариантом для будущих систем массового производства.
При попытке увеличить количество участков синтеза команда обнаружила, что главным ограничением оказался не сам кремниевый чип. Электронная система успешно удерживала область низкого pH в нужном месте, однако сложности возникли из-за химии процесса удаления защитных групп. Во время реакции образуются промежуточные соединения, которые могут распространяться между соседними участками и снижать точность параллельного синтеза.
«Чип выполнил именно то, что мы от него требовали: он локализовал низкий pH в выбранных областях. Ограничение оказалось связано не с кремнием, а с химией удаления защитных групп», — отметил Хан Сэ Чжун (Han Sae Jung), один из главных авторов исследования.
Следующим шагом для этой технологии станет разработка более эффективного химического механизма удаления защитных групп, что позволит использовать преимущества кремниевой платформы при дальнейшем увеличении числа одновременно создаваемых последовательностей.
Darth SaharaИсточники:Nature ElectronicsНаука и космос037 минут назад
Источник