Cercetătorii de la Harvard au transformat un cip de siliciu într-o mică fabrică de scriere a ADN-ului. Cipurile de siliciu stau la baza informaticii moderne de zeci de ani. Acum, cercetătorii le atribuie un rol cu totul nou în biotehnologie. Pe lângă procesarea informațiilor, aceste cipuri sunt folosite din ce în ce mai mult pentru a studia sistemele vii, prin înregistrarea activității neuronale, citirea ADN-ului și, acum, chiar și crearea de ADN. Descoperirea nu reprezintă doar un simplu experiment chimic, ci deschide o cale reală, mult mai compactă și ecologică, pentru stocarea datelor pe ADN, un domeniu vital în contextul în care hard disk-urile actuale își ating limitele tehnologice.
Într-un nou studiu publicat în revista științifică Nature Electronics, o echipă de cercetare condusă de Universitatea Harvard a prezentat un cip de siliciu capabil să sintetizeze 64 de secvențe de ADN diferite în același timp. În loc să se bazeze pe procesul chimic care necesită o cantitate mare de solvent, utilizat în mod obișnuit pentru fabricarea ADN-ului sintetic, dispozitivul folosește o abordare enzimatică pe bază de apă. Curenții electrici controlați cu atenție declanșează reacții de sinteză a ADN-ului în locuri specifice de pe cip.
O metodă mai ecologică de producere a ADN-ului
ADN-ul sintetic este esențial pentru multe domenii ale științei și medicinei moderne, inclusiv diagnosticul, ingineria genomică și cercetarea în domeniul cancerului. În prezent, majoritatea ADN-ului personalizat este produs folosind chimia fosforamiditelor, o metodă bine stabilită care permite fabricarea în paralel a milioane de secvențe de ADN. Cu toate acestea, acest proces depinde de solvenți organici periculoși și necesită, de obicei, instalații centralizate specializate.
Oamenii de știință au explorat sinteza enzimatică a ADN-ului ca o alternativă mai blândă, deoarece aceasta utilizează apă și seamănă mai mult cu modul în care celulele vii construiesc în mod natural ADN-ul. Această abordare ar putea permite, în cele din urmă, dezvoltarea unor sisteme de sinteză a ADN-ului mai mici, mai sigure și mai accesibile.
Până acum, însă, metodele enzimatice au rămas cu mult în urma producției convenționale în ceea ce privește numărul de secvențe de ADN pe care le pot produce simultan. Demonstrațiile anterioare se limitau la aproximativ o duzină de secvențe odată. Cipul echipei de la Harvard a sintetizat cu succes 64 de secvențe de ADN diferite în paralel, fiecare având o lungime de până la 39 de nucleotide, stabilind astfel un nou punct de referință pentru această tehnologie.
Cum funcționează sinteza ADN pe un cip de siliciu?
ADN-ul este asamblat câte o nucleotidă pe rând. Spre deosebire de metodele tradiționale care bazează acest proces pe substanțe chimice toxice și solvenți masivi, noul dispozitiv se folosește de curenți electrici infimi și enzime, replicând felul în care însăși natura asamblează materialul genetic. După adăugarea fiecărui nucleotid, un grup de blocare temporar împiedică creșterea ulterioară. Înainte ca următorul nucleotid să poată fi atașat, acel grup de blocare trebuie îndepărtat printr-un proces numit deprotecție, care este declanșat de condiții acide, sau pH scăzut, în apă.
Producerea simultană a multor secvențe de ADN diferite necesită scăderea pH-ului doar în locații selectate în timpul fiecărui ciclu de sinteză. Cipul de la Harvard realizează acest lucru folosind curenți electrici infimi.
Suprafața sa conține 64 de locuri de sinteză. Fiecare loc prezintă doi electrozi inelari concentrici care înconjoară moleculele de ADN ancorate în centru. Când o locație specifică este activată, electrodul interior generează protoni care scad pH-ul local și permit creșterea catenelor de ADN. În același timp, electrodul exterior îndepărtează protonii care se răspândesc spre exterior, menținând regiunea acidă limitată la acel singur loc.
Prin repetarea acestui proces pe parcursul mai multor cicluri, cipul construiește în mod independent 64 de secvențe unice de ADN pe toată suprafața sa.
De la cercetarea creierului la sinteza ADN-ului
Interesant este faptul că cipul nu a fost conceput inițial pentru a produce ADN.
Jeffrey Abbott, un fost doctorand din laboratorul lui Ham, a dezvoltat inițial componentele electronice din siliciu pentru înregistrarea activității electrice din interiorul unor populații mari de neuroni. După reproiectarea electrozilor de suprafață, cercetătorii au descoperit că aceeași tehnologie de bază putea controla cu precizie condițiile chimice necesare sintezei ADN-ului.
„O caracteristică definitorie a cipului a fost injectarea precisă de curent, pe care am folosit-o pentru a permeabiliza membranele neuronale în vederea accesului intracelular. La un moment dat, ne-am întrebat dacă același control al curentului ar putea fi redirecționat de la celule către molecule, înlocuind electrozii orientați către neuroni cu perechi de electrozi inelari care ar putea localiza pH-ul pentru sinteza ADN-ului. A funcționat.”, a spus Ham, citat de publicația Science Daily.
Stocarea datelor pe ADN: de ce este aceasta miza principală?
Dincolo de aplicațiile potențiale în biologia sintetică și diagnosticul medical, echipa a demonstrat o altă posibilitate prin utilizarea celor 64 de secvențe de ADN sintetizate pentru a codifica un text de 169 de octeți.
Deși stocarea datelor pe bază de ADN rămâne un obiectiv pe termen lung, deoarece ar necesita producerea de ADN la o scară enormă, cercetătorii consideră că sinteza enzimatică pe bază de apă ar putea deveni din ce în ce mai atractivă pe măsură ce volumele de producție cresc. Reducerea utilizării solvenților ar putea diminua semnificativ impactul asupra mediului al producției de ADN la scară largă.
„Stocarea datelor pe ADN necesită ca sinteza ADN-ului să funcționeze la o scară mult mai mare decât nevoile actuale. De aceea, sinteza enzimatică în apă poate fi importantă. Dacă s-ar putea sintetiza în paralel mult mai mult de 64 de secvențe, aceasta ar putea oferi o cale ecologică către scrierea ADN-ului la scară foarte mare.”, a declarat Woo-Bin Jung, coautor principal al studiului și în prezent profesor asistent de inginerie chimică la Universitatea de Știință și Tehnologie din Pohang (POSTECH), care a desfășurat această cercetare în calitate de cercetător postdoctoral în laboratorul lui Ham.
Chimia este următorul obstacol
Cercetătorii au dorit, de asemenea, să afle cât de mult ar putea fi scalată cipul. Au fabricat cipuri cu situri de sinteză amplasate mai aproape unele de altele, în speranța de a crește numărul de secvențe de ADN produse simultan.
Experimentul nu a avut succes, dar a scos la iveală o constatare importantă. Cipul în sine a limitat cu precizie pH-ul scăzut la locațiile dorite. Adevărata limitare a provenit din reacțiile chimice utilizate în timpul deprotecției.
În loc să îndepărteze direct grupările de blocare, pH-ul scăzut generează molecule intermediare care realizează etapa de deprotecție. Aceste molecule intermediare pot migra către siturile de sinteză învecinate, reducând distanța dintre reacții, chiar dacă pH-ul rămâne strict controlat.
„Cipul a făcut ceea ce i-am cerut: a localizat pH-ul scăzut în locurile selectate. Limitarea a provenit din procesul chimic de deprotecție, nu din siliciu. Acest lucru indică clar următorul pas pentru acest domeniu – dezvoltarea unui proces chimic de deprotecție bazat pe acid, mai direct, care să poată ține pasul cu cipul.”, a declarat Han Sae Jung, coautor principal al studiului, fost student la doctorat și actual cercetător postdoctoral la Harvard.
Deși scalarea de la laborator la producția de masă mai are de depășit obstacole de ordin chimic, fuziunea dintre arhitectura de siliciu și biologia sintetică este incontestabilă. Într-un viitor nu foarte îndepărtat, bazele informaticii ar putea fi rescrise, la propriu, folosind limbajul natural al vieții.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
O rachetă SpaceX s-a ciocnit de Lună, iar telescoapele au surprins norul de sodiu și litiu
Oamenii care par buni vânători-culegători sunt preferați ca prieteni, arată un studiu
O grăsime alimentară obișnuită poate favoriza diabetul de tip 2, în timp ce alta ajută la combaterea lui
De ce aceeași leziune a ADN-ului provoacă cancer doar la unele persoane — genele moștenite ar putea explica diferența
