Гарвардские ученые превратили кремниевый чип в машину для синтеза ДНК

Исследователи из Гарварда представили кремниевый чип, способный одновременно синтезировать 64 различные последовательности ДНК. В отличие от традиционного метода, использующего опасные органические растворители, новая технология основана на водном ферментативном процессе и управляется электрическими импульсами.

Работа, опубликованная в журнале Nature Electronics, описывает чип, на поверхности которого расположены 64 синтезирующих участка. Каждый участок оснащен двумя концентрическими кольцевыми электродами. При активации внутренний электрод генерирует протоны, создавая локальную кислую среду, необходимую для роста цепи ДНК. Внешний электрод удерживает кислоту в пределах заданного участка, предотвращая нежелательные реакции на соседних площадках.

Исследование возглавил Донхи Хэм, профессор инженерных и прикладных наук Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS). Примечательно, что чип изначально разрабатывался для записи электрической активности нейронов, но после модификации электродов оказался пригодным для точного контроля химических условий синтеза ДНК.

«Отличительной особенностью чипа была точная инжекция тока, которую мы использовали для пермеабилизации нейрональных мембран, — пояснил Хэм. — В какой-то момент мы задались вопросом, можно ли перенаправить тот же контроль тока с клеток на молекулы, заменив электроды для нейронов на пары кольцевых электродов, которые могли бы локализовать pH для синтеза ДНК. Это сработало».

В ходе эксперимента чип успешно синтезировал 64 различные последовательности ДНК длиной до 39 нуклеотидов каждая. Чтобы продемонстрировать потенциал технологии, исследователи закодировали с помощью синтезированных последовательностей текстовый файл объемом 169 байт. Хотя хранение данных на ДНК остается долгосрочной перспективой, требующей масштабирования производства, ученые считают, что водный ферментативный синтез может стать экологически чистой альтернативой для крупномасштабного производства ДНК.

Попытка увеличить плотность размещения синтезирующих участков на чипе не увенчалась успехом. Как выяснилось, ограничение связано не с возможностями самого чипа, а с используемой химией депротекции — промежуточные молекулы, образующиеся в процессе, могут проникать на соседние участки, снижая избирательность реакции.

«Чип сделал то, что мы просили: он локализовал низкий pH на выбранных участках, — отметил Хан Сэ Чжун, соавтор исследования. — Ограничение исходило от химии депротекции, а не от кремния. Это указывает на четкий следующий шаг для области — разработать более прямую химию депротекции, активируемую кислотой, которая сможет идти в ногу с чипом».

В проекте также принимали участие исследователи из Института Броуда, компании DNA Script и Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH).