Ένα συμβατικό τσιπ πυριτίου, παρόμοιο με εκείνα που βρίσκονται στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, μετατράπηκε σε μια πρωτοποριακή πλατφόρμα σύνθεσης DNA από διεθνή ερευνητική ομάδα, ανοίγοντας τον δρόμο για ταχύτερες, ασφαλέστερες και πιο βιώσιμες εφαρμογές στη βιοτεχνολογία.
Η νέα τεχνολογία, που αναπτύχθηκε από επιστήμονες με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ και δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Electronics, χρησιμοποιεί ηλεκτρικό ρεύμα και νερό αντί για τους οργανικούς διαλύτες που απαιτούνται στις συμβατικές μεθόδους παραγωγής συνθετικού DNA. Το τσιπ μπορεί να συνθέτει ταυτόχρονα 64 διαφορετικές αλληλουχίες DNA, θέτοντας νέο σημείο αναφοράς για την ενζυμική σύνθεση γενετικού υλικού.
Μια πιο «πράσινη» προσέγγιση
Η παραγωγή συνθετικού DNA αποτελεί θεμελιώδες εργαλείο για τη σύγχρονη βιοϊατρική, τη γονιδιακή μηχανική, τις διαγνωστικές εξετάσεις και την έρευνα για νέες θεραπείες. Μέχρι σήμερα, η διαδικασία βασίζεται κυρίως στη φωσφοραμιδιτική χημεία, μια ιδιαίτερα αποδοτική τεχνική που όμως απαιτεί μεγάλες ποσότητες οργανικών διαλυτών και εξειδικευμένες εγκαταστάσεις.
Η νέα προσέγγιση αξιοποιεί ένζυμα και πραγματοποιείται εξ ολοκλήρου σε υδατικό περιβάλλον, προσομοιώνοντας τον φυσικό τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα συνθέτουν το DNA τους. Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε μικρότερες, ασφαλέστερες και περισσότερο φιλικές προς το περιβάλλον συσκευές παραγωγής DNA.
Πώς το τσιπ «γράφει» γενετικό υλικό
Η σύνθεση DNA πραγματοποιείται με την προσθήκη ενός νουκλεοτιδίου κάθε φορά. Για να προστεθεί κάθε νέο δομικό στοιχείο, πρέπει προηγουμένως να αφαιρεθεί μια προστατευτική χημική ομάδα, διαδικασία που απαιτεί τοπική μείωση του pH.
Το νέο τσιπ επιτυγχάνει αυτή την ακρίβεια μέσω μικροσκοπικών ηλεκτροδίων. Κάθε μία από τις 64 θέσεις σύνθεσης περιβάλλεται από δύο ομόκεντρα κυκλικά ηλεκτρόδια. Όταν ενεργοποιείται ένα σημείο, το εσωτερικό ηλεκτρόδιο δημιουργεί πρωτόνια, μειώνοντας το pH ακριβώς γύρω από την αναπτυσσόμενη αλυσίδα DNA και επιτρέποντας την προσθήκη του επόμενου νουκλεοτιδίου.
Παράλληλα, το εξωτερικό ηλεκτρόδιο απομακρύνει τα πρωτόνια που διαχέονται προς τις γειτονικές περιοχές, διατηρώντας την αντίδραση αυστηρά περιορισμένη στο επιθυμητό σημείο. Με την επαναλαμβανόμενη ενεργοποίηση διαφορετικών θέσεων, το τσιπ μπορεί να δημιουργήσει ανεξάρτητα δεκάδες διαφορετικές αλληλουχίες DNA.
Από τη νευροεπιστήμη στη βιοτεχνολογία
Εντυπωσιακό είναι το γεγονός ότι η τεχνολογία δεν σχεδιάστηκε αρχικά για τη σύνθεση DNA. Το τσιπ είχε αναπτυχθεί για την καταγραφή της ηλεκτρικής δραστηριότητας χιλιάδων νευρώνων ταυτόχρονα και για τη χαρτογράφηση των συνδέσεών τους.
Οι επιστήμονες αξιοποίησαν την ίδια εξαιρετικά ακριβή ηλεκτρονική πλατφόρμα, τροποποιώντας τη διάταξη των ηλεκτροδίων ώστε να ελέγχουν τοπικά τη χημεία της σύνθεσης DNA.
«Το βασικό πλεονέκτημα του τσιπ ήταν η εξαιρετικά ακριβής έγχυση ηλεκτρικού ρεύματος. Αναρωτηθήκαμε αν αυτή η δυνατότητα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί όχι για κύτταρα αλλά για μόρια DNA. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ιδέα λειτουργεί», δήλωσε ο καθηγητής Donhee Ham της Σχολής John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences του Χάρβαρντ.
Προοπτικές για τη συνθετική βιολογία και την αποθήκευση δεδομένων
Η τεχνολογία θα μπορούσε να αξιοποιηθεί σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από τη συνθετική βιολογία και τις μοριακές διαγνωστικές εξετάσεις έως την ανάπτυξη εξατομικευμένων θεραπειών.
Οι ερευνητές δοκίμασαν ακόμη μία πιο φιλόδοξη εφαρμογή, χρησιμοποιώντας τις 64 αλληλουχίες DNA για την αποθήκευση ενός ψηφιακού αρχείου μεγέθους 169 byte. Αν και πρόκειται για μια πιλοτική επίδειξη, αναδεικνύει τις δυνατότητες του DNA ως μέσου αποθήκευσης δεδομένων εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας.
Όπως επισημαίνουν, η μελλοντική αξιοποίηση αυτής της τεχνολογίας θα απαιτήσει παραγωγή τεράστιων ποσοτήτων συνθετικού DNA, γεγονός που καθιστά ιδιαίτερα σημαντική την ανάπτυξη περιβαλλοντικά βιώσιμων μεθόδων σύνθεσης.
Το επόμενο βήμα
Η ερευνητική ομάδα επιχείρησε να αυξήσει ακόμη περισσότερο τον αριθμό των θέσεων σύνθεσης στο ίδιο τσιπ. Παρότι τα ηλεκτρονικά συστήματα λειτούργησαν όπως είχαν σχεδιαστεί, προέκυψε ένας διαφορετικός περιορισμός: η ίδια η χημεία της διαδικασίας.
Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η αντίδραση αποπροστασίας δημιουργεί ενδιάμεσα μόρια, τα οποία μπορούν να διαχέονται σε γειτονικές θέσεις και να προκαλούν ανεπιθύμητες αντιδράσεις, ακόμη και όταν το pH ελέγχεται με απόλυτη ακρίβεια.
«Το τσιπ εκτέλεσε ακριβώς αυτό που είχε σχεδιαστεί να κάνει. Ο περιορισμός δεν βρίσκεται πλέον στην τεχνολογία του πυριτίου αλλά στη χημεία της αποπροστασίας. Το επόμενο βήμα είναι η ανάπτυξη νέων χημικών μεθόδων που θα επιτρέψουν την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων της πλατφόρμας», εξήγησε η Han Sae Jung, μία από τις συγγραφείς της μελέτης.