Исследователи из Гарвардского университета представили инновационную разработку — кремниевый полупроводниковый чип, адаптированный под нужды миниатюрной установки для параллельного синтеза молекул ДНК. Новая технология не только повышает эффективность генерации генетического материала, но и делает процесс экологически безопасным, что открывает широкие перспективы для создания компактных систем хранения данных на основе ДНК.
Традиционный промышленный метод производства синтетической ДНК, известный как фосфорамидитный процесс, обладает высокой масштабируемостью и позволяет одновременно создавать миллионы последовательностей. Однако его существенным недостатком является необходимость использования агрессивных органических растворителей и сложного громоздкого оборудования. Группа из Гарварда сделала ставку на ферментативный синтез, который максимально приближен к природным процессам внутри живых клеток. Реакции проходят в водной среде, что исключает экологические риски и позволяет интегрировать технологию в настольные или даже портативные устройства.
Одной из главных проблем существующих настольных ДНК-синтезаторов была низкая производительность: обычно они могли собирать лишь около 12 последовательностей одновременно. Гарвардская разработка значительно превзошла этот показатель, обеспечив параллельную сборку 64 уникальных последовательностей, каждая из которых имеет длину до 39 нуклеотидов.
В основе функционирования чипа лежит метод прецизионного управления кислотностью среды. В процессе синтеза каждый добавляемый нуклеотид временно блокируется специальной защитной группой, предотвращающей неконтролируемое удлинение цепочки. Для продолжения синтеза эту группу необходимо удалить (деблокировать), повысив кислотность в конкретной точке. Учёные решили эту задачу с помощью 64 специализированных площадок, каждая из которых окружена двумя концентрическими кольцевыми электродами.
При подаче тока внутренний электрод генерирует протоны, локально повышая кислотность и запуская деблокирование нуклеотида. Внешний электрод в это время работает как «ловушка», поглощая лишние протоны и не позволяя им распространяться на соседние участки. Это обеспечивает независимый синтез разных цепочек ДНК на одном кристалле. Любопытно, что архитектура чипа была заимствована из области нейробиологии, где подобные системы ранее использовались для регистрации активности нейронов. Способность чипа к точному дозированию тока идеально подошла для управления химическими реакциями.
В рамках демонстрации возможностей технологии исследователи успешно записали 169 байт текстовой информации в 64 синтезированные последовательности ДНК. Это подтверждает потенциал разработки как основы для будущих систем хранения данных. На текущем этапе основной барьер для массового внедрения заключается не в кремниевой электронике, а в химических процессах синтеза, однако достигнутый результат является важным шагом к созданию полноценных биомолекулярных накопителей.
