دانشمندان یک تراشه سیلیکونی ساختهاند که میتواند دهها توالی DNA را به طور همزمان با استفاده از برق و آنزیمهای مبتنی بر آب بنویسد و جایگزین پاکتری برای تولید مرسوم DNA ارائه دهد. این پیشرفت در نهایت میتواند از دستگاههای قابل حمل نوشتن DNA و حتی ذخیرهسازی عظیم دادههای DNA پشتیبانی کند، اگرچه برای گسترش بیشتر این فناوری به شیمی جدیدی نیاز است.
اطلاعات آنلاین به نقل از Nature Electronics ـ تراشههای سیلیکونی برای دههها پایه و اساس محاسبات مدرن بودهاند. اکنون، محققان به آنها نقش کاملاً جدیدی در زیستفناوری میدهند. علاوه بر پردازش اطلاعات، این تراشهها به طور فزایندهای برای مطالعه سیستمهای زنده با ثبت فعالیت نورونها، خواندن DNA و اکنون حتی ایجاد DNA مورد استفاده قرار میگیرند.
یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دانشگاه هاروارد از یک تراشه سیلیکونی رونمایی کردند که قادر به سنتز همزمان ۶۴ توالی DNA مختلف است. این دستگاه به جای تکیه بر فرآیند شیمیایی فشرده حلال که معمولاً برای تولید DNA مصنوعی استفاده میشود، از یک رویکرد آنزیمی مبتنی بر آب استفاده میکند. جریانهای الکتریکی با دقت کنترلشده، واکنشهای ساخت DNA را در مکانهای خاصی در سراسر تراشه آغاز میکنند.
روشی پاکتر برای تولید DNA
DNA مصنوعی برای بسیاری از زمینههای علوم و پزشکی مدرن، از جمله تشخیص، مهندسی ژنوم و تحقیقات سرطان، ضروری است. امروزه، بیشتر DNAهای سفارشی با استفاده از شیمی «فسفورامیدیت» تولید میشوند؛ روشی کاملاً تثبیت شده که میتواند میلیونها توالی DNA را به صورت موازی تولید کند. با این حال، این فرآیند به حلالهای آلی خطرناک بستگی دارد و معمولاً به امکانات متمرکز تخصصی نیاز دارد.
دانشمندان در حال بررسی سنتز آنزیمی DNA به عنوان یک جایگزین ملایمتر بودهاند زیرا از آب استفاده میکند و بیشتر شبیه به روشی است که سلولهای زنده به طور طبیعی DNA را میسازند. این رویکرد در نهایت میتواند سیستمهای سنتز DNA کوچکتر، ایمنتر و در دسترستر را امکانپذیر کند.
با این حال، تاکنون، روشهای آنزیمی از نظر تعداد توالیهای DNA که میتوانند همزمان تولید کنند، بسیار عقبتر از تولید متعارف بودهاند. آزمایشهای قبلی به حدود دوازده توالی به طور همزمان محدود شده بود. تراشه تیم هاروارد با موفقیت ۶۴ توالی DNA مختلف را به صورت موازی سنتز کرد که هر کدام به طول ۳۹ نوکلئوتید بودند و نقطه عطفی جدید برای این فناوری ایجاد کردند.
از تحقیقات مغز تا سنتز DNA
جالب است که این تراشه در ابتدا برای تولید DNA طراحی نشده بود.
«جفری ابوت»، دانشجوی سابق دکترا در آزمایشگاه «هام»، در ابتدا الکترونیک سیلیکونی را برای ثبت فعالیت الکتریکی درون جمعیتهای بزرگی از نورونها توسعه داد. پس از طراحی مجدد الکترودهای سطحی، محققان کشف کردند که همان فناوری زیربنایی میتواند شرایط شیمیایی مورد نیاز برای سنتز DNA را به طور دقیق کنترل کند.
هام گفت: "یکی از ویژگیهای تعیینکننده تراشه، تزریق دقیق جریان بود که ما برای نفوذپذیر کردن غشاهای عصبی برای دسترسی درون سلولی از آن استفاده کردیم. در یک مقطع خاص، ما از خود پرسیدیم که آیا میتوان همان کنترل جریان را از سلولها به مولکولها هدایت کرد و الکترودهای رو به نورون را با جفتهای الکترود حلقهای جایگزین کرد که میتوانند pH را برای سنتز DNA محلیسازی کنند. این روش جواب داد."
ذخیرهسازی دادههای DNA میتواند در آینده کاربرد داشته باشد
فراتر از کاربردهای بالقوه در زیستشناسی مصنوعی و تشخیص پزشکی، این تیم با استفاده از ۶۴ توالی DNA سنتز شده برای رمزگذاری یک متن ۱۶۹ بایتی، امکان دیگری را نشان داد.
اگرچه ذخیرهسازی دادههای مبتنی بر DNA همچنان یک هدف بلندمدت است چرا که نیاز به تولید DNA در مقیاس بسیار بزرگ دارد اما محققان معتقدند که سنتز آنزیمی مبتنی بر آب میتواند با افزایش حجم تولید، به طور فزایندهای جذاب شود. کاهش استفاده از حلال میتواند تأثیر زیستمحیطی تولید DNA در مقیاس بزرگ را به طور قابل توجهی کاهش دهد.
ذخیرهسازی دادههای DNA از سنتز DNA میخواهد که در مقیاسی بسیار فراتر از نیازهای امروز عمل کند. به همین دلیل است که سنتز آنزیمی در آب میتواند مهم باشد. اگر بتوان بیش از ۶۴ توالی را به صورت موازی سنتز کرد، میتواند مسیری سازگار با محیط زیست برای نوشتن DNA در مقیاس بسیار بزرگ ارائه دهد.