Учёные из Гарварда создали кремниевый ДНК-принтер для медицины и хранения данных

Революционный устройство для параллельного синтеза ДНК

Группа исследователей из Гарварда превратила кремниевый полупроводниковый чип в миниатюрную установку для параллельного синтеза множества молекул ДНК. В отличие от традиционных платформ, способных синтезировать не более дюжины последовательностей одновременно, кремниевый чип позволяет создавать до 64 ДНК-цепочек длиной до 39 нуклеотидов каждая.

Экологически чистый процесс синтеза

Современное промышленное производство синтетической ДНК опирается на фосфорамидитный процесс, требующий чрезвычайно вредных органических растворителей и специализированного оборудования. Ферментативный синтез, развиваемый учёными из Гарварда, ближе к процессам, происходящим в живых клетках: реакции идут в воде, что безвредно для окружающей среды и потенциально совместимы с компактными настольными или портативными ДНК-синтезаторами.

Инновационный принцип работы

Чип управляет не ферментом напрямую, а регулирует локальную кислотность среды на участке синтеза. При синтезе ДНК каждый новый нуклеотид временно блокируется защитной группой, чтобы цепочка не росла неконтролируемым образом. Для деблокировки перед добавлением следующего нуклеотида необходимо резко повысить кислотность в районе участка синтеза, не влияя на другие зоны.

Для создания локальных зон с регулируемой кислотностью на поверхности чипа реализованы 64 площадки для синтеза, каждая с двумя концентрическими кольцевыми электродами вокруг закреплённых молекул ДНК. Внутренний электрод при подаче тока генерирует протоны, локально повышая кислотность раствора и запуская процесс снятия защитной группы, тогда как внешний электрод поглощает распространяющиеся протоны, удерживая область повышенной кислотности в пределах выбранной площадки.

Демонстрация возможности хранения данных

Базовая электроника чипа выросла из другой задачи: ранее платформу разрабатывали для внутриклеточной регистрации активности больших массивов нейронов, где требовались точные и дозированные величины тока. В качестве демонстрации исследователи записали в 64 синтезированные последовательности текст объёмом 169 байт, подтвердив возможное применение технологии для ДНК-хранилищ данных.

Масштабирование технологии пока ограничено не техпроцессами обработки кремниевых чипов, а базовой химией реакций синтеза ДНК. Тем не менее, сделанный шаг важен для развития экологически чистых методов синтеза ДНК, которые могут нарушить монополию фосфорамидитного процесса на рынке.