Τα τσιπ πυριτίου αποτελούν τη βάση της σύγχρονης υπολογιστικής εδώ και δεκαετίες. Τώρα, ερευνητές τους δίνουν έναν εντελώς νέο ρόλο στη βιοτεχνολογία. Πέρα από την επεξεργασία πληροφορίας, τα τσιπ αυτά χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για τη μελέτη ζωντανών συστημάτων — καταγράφοντας τη δραστηριότητα νευρώνων, «διαβάζοντας» DNA, και τώρα πλέον… δημιουργώντας DNA.
Σε νέα μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Electronics, ερευνητική ομάδα του Harvard ανακοίνωσε ένα τσιπ πυριτίου ικανό να συνθέτει 64 διαφορετικές αλληλουχίες DNA ταυτόχρονα. Αντί να βασίζεται στη συμβατική χημική διαδικασία που χρησιμοποιεί μεγάλες ποσότητες τοξικών διαλυτών για την παραγωγή συνθετικού DNA, η συσκευή χρησιμοποιεί μια «καθαρή» ενζυμική προσέγγιση με βάση το νερό.
Πώς λειτουργεί το «εργοστάσιο DNA» πάνω σε τσιπ
Ελεγχόμενα ηλεκτρικά ρεύματα ενεργοποιούν τις αντιδράσεις δόμησης DNA σε συγκεκριμένα σημεία πάνω στο τσιπ. Μετά την προσθήκη κάθε νουκλεοτιδίου, μια προσωρινή «προστατευτική» ομάδα εμποδίζει την περαιτέρω ανάπτυξη της αλυσίδας. Πριν προστεθεί το επόμενο νουκλεοτίδιο, αυτή η ομάδα πρέπει να αφαιρεθεί μέσω μιας διαδικασίας που ενεργοποιείται από όξινες συνθήκες, δηλαδή χαμηλό pH, μέσα στο νερό. Το «κόλπο» των ερευνητών ήταν να καταφέρουν να μειώνουν το pH μόνο σε επιλεγμένα σημεία κάθε φορά — και το πέτυχαν χρησιμοποιώντας μικροσκοπικά ηλεκτρικά ρεύματα, μέσω ομόκεντρων δακτυλιοειδών ηλεκτροδίων πάνω στο τσιπ.
Την έρευνα καθοδήγησε ο Donhee Ham, καθηγητής Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών στη Σχολή Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών John A. Paulson του Harvard (SEAS). Ενδιαφέρον στοιχείο: η βασική ηλεκτρονική τεχνολογία του τσιπ είχε αρχικά αναπτυχθεί από τον Jeffrey Abbott, πρώην διδακτορικό φοιτητή στο εργαστήριο του Ham, για την καταγραφή ηλεκτρικής δραστηριότητας σε μεγάλους πληθυσμούς νευρώνων. Μετά τον επανασχεδιασμό των ηλεκτροδίων της επιφάνειας, η ομάδα ανακάλυψε ότι η ίδια τεχνολογία θα μπορούσε να ελέγξει με ακρίβεια τις χημικές συνθήκες που απαιτούνται για τη σύνθεση DNA.
Γιατί έχει σημασία
Η σημερινή βιομηχανική παραγωγή συνθετικού DNA βασίζεται σε μια χημική διαδικασία γνωστή ως φωσφοραμιδιτική χημεία, η οποία απαιτεί μεγάλες ποσότητες διαλυτών και δεν είναι ιδιαίτερα φιλική προς το περιβάλλον. Η νέα μέθοδος, βασισμένη σε νερό, θα μπορούσε να προσφέρει μια πιο «καθαρή» και δυνητικά φθηνότερη εναλλακτική.
Το τσιπ θα μπορούσε μακροπρόθεσμα να στηρίξει φορητές συσκευές παραγωγής DNA, ακόμη και τεράστιες υποδομές αποθήκευσης δεδομένων πάνω σε DNA — μια τεχνολογία που θεωρείται ένας από τους πιο πυκνούς τρόπους αποθήκευσης πληροφορίας που έχει φανταστεί ποτέ η επιστήμη. Ωστόσο, όπως τονίζουν οι ίδιοι οι ερευνητές, θα χρειαστεί νέα χημεία προκειμένου η τεχνολογία να κλιμακωθεί σε μεγαλύτερο βαθμό.
Το έργο αποτέλεσε συνεργασία ερευνητών από το Harvard, το Broad Institute, την εταιρεία DNA Script και αργότερα το POSTECH, ενώ το Γραφείο Τεχνολογικής Ανάπτυξης του Harvard έχει ήδη καταθέσει σχετική αίτηση πνευματικής ιδιοκτησίας για την πλατφόρμα. Όπως σημειώνουν οι ειδικοί, μια εργαστηριακή ανακάλυψη όπως αυτή χρειάζεται συνήθως πέντε έως δεκαπέντε χρόνια περαιτέρω ανάπτυξης προτού μετατραπεί σε πρακτική εφαρμογή — ωστόσο, αν η μέθοδος καταφέρει τελικά να μειώσει το κόστος παραγωγής συνθετικού DNA, θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για φθηνότερες γονιδιακές θεραπείες και εξατομικευμένα εμβόλια στο μέλλον.