Επιστήμονες του Χάρβαρντ κατασκεύασαν ένα τσιπ πυριτίου που γράφει DNA χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό και νερό, δείχνοντας ένα καθαρότερο μέλλον για την κατασκευή DNA και τη βιοτεχνολογία.
Τα τσιπ
Τα τσιπ πυριτίου έχουν οδηγήσει την επανάσταση στην πληροφορική για περισσότερα από 50 χρόνια. Τώρα, οι ερευνητές βρίσκουν νέους τρόπους για να τα χρησιμοποιήσουν στη βιολογία, συμπεριλαμβανομένης της παρακολούθησης μεγάλων ομάδων νευρώνων, της αλληλούχισης του DNA, ακόμη και της ίδιας της κατασκευής του DNA.
Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής το Χάρβαρντ ανέπτυξε ένα τσιπ πυριτίου που μπορεί να συνθέσει 64 διαφορετικές αλληλουχίες DNA ταυτόχρονα. Η εργασία, που δημοσιεύτηκε στο Nature Electronics, αντικαθιστά τη χημεία με διαλύτες που χρησιμοποιείται συνήθως στην παραγωγή DNA κατά παραγγελία με μια ενζυματική μέθοδο με βάση το νερό.
Αντί να ελέγχει τη σύνθεση DNA με συμβατικό εργαστηριακό εξοπλισμό, το τσιπ χρησιμοποιεί ηλεκτρικά ρεύματα με ακριβή ρύθμιση για να ενεργοποιήσει χημικές αντιδράσεις σε μεμονωμένες θέσεις στην επιφάνειά του. Η έρευνα διεξήχθη από τον Donhee Ham, καθηγητή Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών John A. και Elizabeth S. Armstrong στη Σχολή Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών John A. Paulson (SEAS).
Ένα τσιπ που γράφει dna στο νερό
Το συνθετικό DNA παίζει κεντρικό ρόλο σε πολλούς τομείς της σύγχρονης επιστήμης και ιατρικής, συμπεριλαμβανομένων των διαγνωστικών, της γονιδιωματικής μηχανικής και της έρευνας για τον καρκίνο. Το μεγαλύτερο μέρος του συνθετικού DNA παράγεται σήμερα μέσω της χημείας φωσφοραμιδίτη. Αυτή η καθιερωμένη διαδικασία μπορεί να δημιουργήσει εκατομμύρια αλληλουχίες παράλληλα, αλλά βασίζεται σε επικίνδυνους οργανικούς διαλύτες και συνήθως πραγματοποιείται σε μεγάλες, κεντρικές εγκαταστάσεις.
Η ενζυμική σύνθεση DNA προσφέρει μια πιο ήπια εναλλακτική λύση. Λαμβάνει χώρα στο νερό και μοιάζει περισσότερο με τον τρόπο που τα ζωντανά κύτταρα συναρμολογούν φυσικά το DNA. Στο μέλλον, αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να κάνει τις συσκευές εγγραφής DNA μικρότερες, ασφαλέστερες και πιο εύχρηστες.
Μέχρι τώρα, ωστόσο, οι ενζυματικές μέθοδοι υστερούσαν πολύ σε σχέση με τη συμβατική χημεία στον αριθμό των αλληλουχιών DNA που μπορούν να παράγουν ταυτόχρονα. Τα προηγούμενα συστήματα είχαν δημιουργήσει όχι περισσότερες από περίπου δώδεκα αλληλουχίες ταυτόχρονα.
Η ομάδα του Χάρβαρντ αύξησε αυτόν τον αριθμό σε 64 διακριτές αλληλουχίες, με καθεμία να φτάνει σε μήκος έως και 39 νουκλεοτίδια. Το αποτέλεσμα καθιερώνει ένα νέο σημείο αναφοράς για την παράλληλη ενζυμική σύνθεση DNA.
Πώς το τσιπ ελέγχει την ανάπτυξη του dna
Το DNA κατασκευάζεται ένα νουκλεοτίδιο τη φορά. Μετά την προσθήκη κάθε νουκλεοτιδίου, μια προσωρινή ομάδα αποκλεισμού εμποδίζει την αλυσίδα να συνεχίσει να αναπτύσσεται. Πριν προσαρτηθεί το επόμενο νουκλεοτίδιο, αυτή η ομάδα αποκλεισμού πρέπει να αφαιρεθεί. Αυτή η διαδικασία απομάκρυνσης είναι γνωστή ως αποπροστασία. Στο νερό, μπορεί να ξεκινήσει δημιουργώντας ένα όξινο περιβάλλον με χαμηλό pH.
Η δυσκολία στην παράλληλη σύνθεση DNA είναι ο ακριβής έλεγχος του πού και πότε εμφανίζεται αυτή η οξύτητα. Κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου, μόνο οι θέσεις που είναι έτοιμες για το επόμενο νουκλεοτίδιο θα πρέπει να παρουσιάσουν πτώση του pH.
Το τσιπ Harvard λύνει αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό. Η επιφάνειά του περιέχει 64 θέσεις σύνθεσης DNA, καθεμία από τις οποίες είναι εξοπλισμένη με δύο ομόκεντρα ηλεκτρόδια δακτυλίου που περιβάλλουν τις αλυσίδες DNA στερεωμένες στο κέντρο. Όταν μια συγκεκριμένη θέση χρειάζεται να λάβει ένα νουκλεοτίδιο, το τσιπ στέλνει ρεύμα στον εσωτερικό δακτύλιο. Αυτό παράγει πρωτόνια και μειώνει αμέσως το pH γύρω από τις αλυσίδες DNA, επιτρέποντας τη συνέχιση της ενζυματικής ανάπτυξης.
Ταυτόχρονα, ο εξωτερικός δακτύλιος έλκει ρεύμα προς την αντίθετη κατεύθυνση και καταναλώνει πρωτόνια που αρχίζουν να εξαπλώνονται μακριά από την περιοχή. Αυτό εμποδίζει την όξινη περιοχή να φτάσει σε γειτονικές αλυσίδες DNA. Ενεργοποιώντας διαφορετικές περιοχές κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου σύνθεσης, το τσιπ δημιουργεί ένα μεταβαλλόμενο μοτίβο ζωνών χαμηλού pH. Σε επαναλαμβανόμενους κύκλους, αυτές οι εντοπισμένες αντιδράσεις δημιουργούν 64 ξεχωριστές αλληλουχίες DNA.
Από την καταγραφή νευρώνων στην κατασκευή DNA
Το τσιπ πυριτίου αναπτύχθηκε αρχικά στο εργαστήριο του Ham από τον πρώην διδακτορικό φοιτητή Jeffrey Abbott για μεγάλης κλίμακας ενδοκυτταρική καταγραφή από νευρώνες. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αρχικά το σύστημα για να καταγράψουν δραστηριότητα από χιλιάδες νευρώνες και να χαρτογραφήσουν εκατοντάδες συναπτικές συνδέσεις. Οι μεταγενέστερες εκδόσεις κατέγραψαν δεκάδες χιλιάδες συνδέσεις.
Επανασχεδιάζοντας τα ηλεκτρόδια στην επιφάνεια του τσιπ, η ομάδα του Ham προσάρμοσε την ίδια ηλεκτρονική βάση για έναν εντελώς διαφορετικό σκοπό: την κατεύθυνση της σύνθεσης DNA.
Μια πιθανή οδός για την αποθήκευση δεδομένων DNA
Η τεχνολογία θα μπορούσε τελικά να έχει εφαρμογές στη συνθετική βιολογία και την ιατρική διαγνωστική. Οι ερευνητές κατέδειξαν επίσης μια πιο φουτουριστική δυνατότητα χρησιμοποιώντας τις 64 αλληλουχίες DNA για την κωδικοποίηση ενός κειμένου 169 byte. Αυτό το πείραμα παρείχε ένα παράδειγμα μικρής κλίμακας αποθήκευσης δεδομένων με βάση το DNA. Η αποθήκευση DNA παραμένει ένας μακροπρόθεσμος στόχος επειδή θα απαιτούσε την παραγωγή τεράστιων ποσοτήτων DNA. Ωστόσο, αυτή η ζήτηση θα μπορούσε να καταστήσει την ενζυμική σύνθεση με βάση το νερό ιδιαίτερα πολύτιμη.
«Το τσιπ έκανε αυτό που του ζητήσαμε: εντόπισε χαμηλό pH σε επιλεγμένες θέσεις», δήλωσε ο Han Sae Jung, συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης και πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής και νυν μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Χάρβαρντ. «Ο περιορισμός προήλθε από τη χημεία αποπροστασίας, όχι από το πυρίτιο. Αυτό αφήνει ένα σαφές επόμενο βήμα για τον τομέα - την ανάπτυξη μιας πιο άμεσης χημείας αποπροστασίας που βασίζεται σε οξύ και μπορεί να συμβαδίσει με το τσιπ».
www.worldenergynews.gr
