Учёные создали кремниевый ДНК-принтер — для медицины, исследований и хранения данных

Группа исследователей из Гарварда (Harvard) превратила кремниевый полупроводниковый чип в миниатюрную установку для параллельного синтеза множества молекул ДНК. Обычно такие платформы синтезировали не более дюжины последовательностей одновременно. Но наибольший прорыв произошёл с точки зрения экологической чистоты процесса, что важно для масштабирования технологии хранения данных в ДНК.

Современное промышленное производство синтетической ДНК давно опирается на фосфорамидитный процесс: он хорошо масштабируется и позволяет создавать миллионы последовательностей параллельно, но требует чрезвычайно вредных органических растворителей и специализированного оборудования. Ферментативный синтез, который продвигает группа из Гарварда, ближе к тому, как ДНК собирается в живых клетках: реакции идут в воде, что безвредно для окружающей среды, и потенциально совместимы с компактными настольными или даже портативными ДНК-синтезаторами.

Параллельная сборка множества последовательностей ДНК на таких настольных или портативных системах долгое время оставалась их слабым местом. Как правило, они могли одновременно собирать около 12 последовательностей ДНК, что не годится для массового производства, тогда как гарвардский чип довёл этот показатель до 64 последовательностей длиной до 39 нуклеотидов каждая.

В процессе работы чип управляет не самим ферментом напрямую, а регулирует локальную кислотность среды на участке синтеза. При синтезе ДНК каждый новый нуклеотид временно блокируется защитной группой молекул, чтобы цепочка не росла неконтролируемым образом. Перед добавлением следующего нуклеотида эту группу нужно убрать — провести так называемое деблокирование. Для этого необходимо резко повысить кислотность в районе участка синтеза, но при этом важно не повлиять на кислотность в других зонах, чтобы не помешать им синтезировать ДНК в собственном режиме.

Для создания локальных зон с регулируемой кислотностью учёные создали на поверхности чипа 64 площадки для синтеза, каждая с двумя концентрическими кольцевыми электродами вокруг закреплённых молекул ДНК. Внутренний электрод при подаче тока генерирует протоны, и это локально повышает кислотность раствора, что запускает процесс снятия защитной группы, а внешний электрод «поглощает» распространяющиеся протоны, удерживая область повышенной кислотности в пределах выбранной площадки. Таким образом можно циклически и независимо наращивать разные ДНК-цепочки на одном кристалле.

Интересно, что базовая электроника чипа выросла из другой задачи: ранее платформу разрабатывали для внутриклеточной регистрации активности больших массивов нейронов, где требовались точные и дозированные величины тока. После переделки поверхности та же способность к точному управлению током оказалась полезной для пространственного контроля pH раствора при синтезе ДНК. Более того, в качестве демонстрации исследователи записали в 64 синтезированные последовательности текст объёмом 169 байт, указав на возможное применение технологии для ДНК-хранилищ данных.

Дальше вопрос упирается в масштабирование технологии, но этому мешают не техпроцессы обработки кремниевых чипов, а базовая химия реакций синтеза ДНК. Однако шаг в нужном направлении уже сделан. Осталось пройти этот путь до конца.