Эволюция полупроводников. Инженеры научили кремниевые чипы синтезировать ДНК в воде
Кремниевые чипы, десятилетиями служившие основой вычислительной техники, осваивают принципиально новую роль в биотехнологиях.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Electronics, группа ученых из Гарвардского университета под руководством профессора Донхи Хема представила полупроводниковый чип, способный одновременно синтезировать 64 различные последовательности ДНК. Главная особенность устройства заключается в отказе от традиционных агрессивных органических растворителей в пользу безопасного ферментативного подхода на водной основе.
Современная медицина и генная инженерия критически зависят от искусственной ДНК, однако ее промышленное производство обычно требует наличия централизованных заводов и использования токсичных химических веществ. Ферментативный синтез в водной среде гораздо более экологичен и близок к природным процессам, но до сих пор он позволял создавать не более десятка цепочек одновременно. Разработка гарвардских ученых установила новый технологический рекорд, обеспечив возможность параллельного синтеза 64 уникальных последовательностей длиной до 39 нуклеотидов каждая посредством точечного управления электрическим током.
Поверхня розробленого чипа містить 64 ділянки синтезу, де молекули ДНК оточені парами кільцевих електродів. Активація внутрішнього електрода локально знижує рівень pH, що запускає реакцію росту нитки ДНК, тоді як зовнішній електрод нейтралізує надлишкові протони й перешкоджає їхньому поширенню на сусідні зони. Цікаво, що спочатку цей мікрочип розробляли для реєстрації електричної активності великих груп нейронів, але згодом автори перепрофілювали технологію точного розподілу струму під хімічні потреби біосинтезу.
Для демонстрации более широких возможностей системы исследователи закодировали в полученных молекулах ДНК текстовое сообщение объемом 169 байтов. Хотя масштабное хранение цифровых данных в биоматериалах является долгосрочной целью из-за потребности в огромных объемах ДНК, именно экологичный ферментативный метод способен сделать этот процесс безопасным для окружающей среды в будущем. Дальнейшие шаги ученых будут направлены на совершенствование химических реакций, поскольку сам кремниевый чип уже сейчас демонстрирует более высокую точность локализации процессов, чем позволяют современные биохимические реагенты.