Исследователи из Гарвардского университета представили инновационный кремниевый чип, способный одновременно синтезировать 64 уникальные последовательности ДНК. В отличие от традиционных методов, основанных на использовании токсичных органических растворителей, устройство задействует методы электрического управления химическими реакциями в водной среде, что приближает процесс производства к естественным биологическим принципам.
Синтетическая ДНК играет ключевую роль в современной медицине и биологии, включая создание методов диагностики, геномную инженерию и исследования раковых заболеваний. В настоящее время основным стандартом является фосфорамидитная химия, однако этот способ требует специализированных промышленных мощностей и вредных реагентов. Ферментативный синтез на основе воды является более экологичной и компактной альтернативой, хотя до недавнего времени такие системы сильно уступали классическим методам в производительности.
Преимущества и принцип работы чипа
Разработка гарвардских учёных преодолела этот барьер, позволив параллельно создавать 64 цепочки ДНК, каждая из которых состоит из 39 нуклеотидов. Архитектура микросхемы включает 64 независимых участка, каждый из которых оснащен системой контроля реакции.
Изображение сгенерировано: Nano Banana
Технология опирается на точное изменение уровня pH раствора. В процессе сборки молекулы ДНК для добавления каждого нового нуклеотида необходимо временно «разблокировать» цепь, удалив защитную группу. Система реализует это за счет локального воздействия электрического тока:
- Каждый участок снабжен парой электродов: центральный формирует поток протонов для снижения pH и активации реакции, а внешний удаляет излишки протонов, предотвращая влияние на соседние участки.
- Благодаря такой изоляции, разные зоны чипа могут независимо друг от друга управлять процессом синтеза.
Любопытно, что исходно эта электронная архитектура проектировалась для регистрации активности нейронных сетей, однако позже инженеры адаптировали её для управления биохимическими процессами.
Будущее хранения данных и масштабируемость
В рамках эксперимента ученые успешно закодировали в синтезированных последовательностях 169 байт текстовой информации, подтвердив потенциал технологии для создания хранилищ данных на основе ДНК. Несмотря на то что текущая плотность записи требует дальнейшего масштабирования, ферментативный подход выглядит перспективным направлением для экологичного производства.
Основным препятствием для дальнейшего расширения количества параллельных каналов стал не кремниевый чип, а побочные химические процессы. Как пояснил один из ведущих авторов исследования Хан Сэ Чжун (Han Sae Jung), промежуточные соединения, образующиеся при удалении защитных групп, могут распространяться и снижать общую точность. В будущем команда планирует усовершенствовать химический механизм процесса, чтобы в полной мере использовать возможности кремниевой платформы.
