Исследователи из Гарварда спроектировали инновационный кремниевый чип, способный к параллельному синтезу 64 уникальных последовательностей ДНК. Устройство функционирует на стыке электроники и биохимии, заменяя агрессивные органические растворители, традиционно применяемые в индустрии, на экологичный ферментативный процесс в водной среде.
Данная разработка подтверждает, что полупроводниковая архитектура способна не только вычислять данные, но и эффективно манипулировать биологическими процессами на молекулярном уровне.
Синтетическая ДНК — фундаментальный компонент современной медицины и биотехнологий, востребованный в геномной инженерии, онкологии и диагностике. Сейчас отрасль преимущественно опирается на фосфорамидитный метод, который хоть и отличается высокой производительностью, но требует использования токсичных соединений и сложной производственной инфраструктуры. Ферментативный метод, напротив, имитирует природные механизмы репликации нуклеиновых кислот, предлагая более безопасную и компактную альтернативу, однако до последнего времени он проигрывал классическим химическим методам в вопросе масштабируемости.
Новое устройство расширяет возможности параллельного синтеза до 64 уникальных цепочек, каждая из которых достигает 39 нуклеотидов в длину. Управление процессом реализовано через прецизионное локальное изменение pH: для поэтапного присоединения нуклеотидов необходим временный «снятие защиты», которое в данной системе активируется точечным воздействием электрического тока.
Конструкция каждого участка синтеза включает систему двойных электродов вокруг молекулы-мишени. Центральный электрод генерирует поток протонов, создавая кислую среду для запуска реакции, а внешний электрод нейтрализует лишние протоны, не позволяя им влиять на соседние зоны. Такая локализация процессов позволяет чипу работать с множеством последовательностей одновременно.
Любопытно, что исходная концепция устройства возникла при проектировании сенсоров для нейрофизиологических исследований. Позже ученые адаптировали конструкцию электродов под нужды молекулярного синтеза, успешно применив этот механизм для записи цифровых данных: команда зашифровала в ДНК текст объемом 169 байт. Несмотря на то что до промышленного масштабирования хранения данных на ДНК еще далеко, именно водный ферментативный синтез признан наиболее перспективным «зеленым» вектором развития этой области.
В ходе экспериментов выяснилось, что предел масштабируемости платформы упирается не в возможности кремния, а в специфику химических реакций. Побочные продукты, возникающие при удалении защитных групп, способны диффундировать между участками, снижая чистоту продукта. Как пояснил соавтор исследования Хан Сэ Чжун, чип безупречно справлялся с контролем pH, однако химические ограничения потребовали переосмысления процессов очистки.
Перспективные исследования будут сосредоточены на оптимизации химических механизмов защиты, что позволит в полной мере раскрыть потенциал кремниевой платформы для высокопроизводительного синтеза ДНК.
Источник: iXBT
