Průlom na Harvardu: Nový čip syntetizuje 64 DNA sekvencí paralelně, otevírá cestu k masivnímu ukládání dat

Vědci z Harvardovy univerzity vyvinuli polovodičový čip, který dokáže syntetizovat 64 různých DNA sekvencí paralelně.

Vědci z Harvardovy univerzity vyvinuli polovodičový čip, který dokáže syntetizovat 64 různých DNA sekvencí paralelně. K tomuto procesu využívá elektrické proudy a enzymatický proces na vodní bázi, což představuje potenciální alternativu k současným konvenčním metodám výroby DNA.

Tento inovativní čip využívá lokalizované elektrické řízení k zahájení syntézy DNA na vybraných místech svého povrchu. Tým výzkumníků zdůrazňuje, že tento přístup se vyhýbá chemii fosforamiditů, která je náročná na rozpouštědla a široce se používá k výrobě syntetické DNA v současnosti.

Syntetická DNA je klíčovým nástrojem v moderní biotechnologii a podporuje širokou škálu aplikací, od diagnostiky a genového inženýrství až po výzkum rakoviny. Ačkoli se enzymatická syntéza DNA objevila jako ekologičtější alternativa, dosud se jí nedařilo dosáhnout rozsahu konvenčních metod. Podle vědců byly enzymatické přístupy dosud omezeny na produkci přibližně tuctu DNA sekvencí současně. Nový čip však dokázal generovat 64 odlišných DNA sekvencí paralelně, přičemž každá sekvence dosáhla délky až 39 nukleotidů.

Syntéza DNA probíhá po jednom nukleotidu. Po každém přidání musí být odstraněna dočasná blokovací skupina, než může být připojen další nukleotid. K řízení tohoto procesu navrhl harvardský tým čip se 64 syntézními místy. Každé místo obsahuje dvě soustředné prstencové elektrody obklopující DNA vlákna ukotvená ve středu. Po aktivaci vnitřní elektroda generuje protony, které snižují pH kolem vybraného DNA vlákna. Toto kyselé prostředí umožňuje enzymatický růst DNA. Současně vnější elektroda spotřebovává difundující protony, čímž zabraňuje šíření oblasti s nízkým pH na sousední místa. Opakováním tohoto procesu na vybraných místech během každého syntézního cyklu může čip současně vytvářet mnoho různých DNA sekvencí.

Práce navazuje na polovodičovou platformu původně vyvinutou pro neurovědecké aplikace. Donhee Ham, profesor inženýrství a aplikovaných věd na Harvardu, uvedl, že charakteristickým rysem čipu byla přesná injekce proudu, kterou používali k permeabilizaci neuronálních membrán pro intracelulární přístup. V určitém okamžiku se zamysleli, zda by stejné řízení proudu mohlo být přesměrováno z buněk na molekuly – nahrazením elektrod směřujících k neuronům páry prstencových elektrod, které by mohly lokalizovat pH pro syntézu DNA. A fungovalo to.

Kromě biologických aplikací vědci zkoumali, zda by technologie mohla podporovat ukládání dat na bázi DNA. Pomocí 64 syntetizovaných DNA sekvencí tým zakódoval textovou zprávu o velikosti 169 bytů, čímž demonstroval potenciál platformy pro ukládání digitálních informací do molekul DNA. Vědci se domnívají, že přístup syntézy na vodní bázi by mohl být stále důležitější, pokud se v budoucnu výrazně zvýší produkce DNA. Woo-Bin Jung, jeden z hlavních autorů studie, poznamenal, že ukládání dat do DNA vyžaduje syntézu DNA v měřítku daleko přesahujícím dnešní potřeby. Proto je enzymatická syntéza ve vodě důležitá. Pokud by bylo možné syntetizovat mnohem více než 64 sekvencí paralelně, mohlo by to nabídnout ekologickou cestu k zápisu DNA ve velmi velkém měřítku.