Cambridge, MA — In einer bemerkenswerten Konvergenz von Mikroelektronik und Biologie haben Forscher der Harvard University einen Siliziumchip in eine Maschine verwandelt, die DNA schreibt. Das diese Woche in Nature Electronics veröffentlichte Gerät synthetisiert 64 verschiedene DNA-Sequenzen parallel mittels präzise gesteuerter elektrischer Ströme und wasserbasierter Enzyme – eine saubere Alternative zum lösungsmittelintensiven chemischen Prozess, der heute die DNA-Herstellung dominiert.
Unter der Leitung von Donhee Ham, dem John A. and Elizabeth S. Armstrong Professor für Engineering und Angewandte Wissenschaften an der SEAS, hat das Team einen Chip umfunktioniert, der ursprünglich für die Aufzeichnung elektrischer Aktivität von Neuronen entwickelt wurde. Durch die Neugestaltung seiner Oberflächenelektroden entdeckten sie, dass dieselbe Präzisionsstrominjektionstechnologie die chemischen Bedingungen steuern kann, die für den Aufbau von DNA Nukleotid für Nukleotid erforderlich sind.
Ein saubererer Weg zum Bau des Moleküls des Lebens
Synthetische DNA ist das unsichtbare Arbeitstier der modernen Biotechnologie – essentiell für Diagnostik, Genom-Engineering, Krebsforschung und Impfstoffentwicklung. Der Großteil wird mittels Phosphoramidit-Chemie hergestellt, einer Methode, die gefährliche organische Lösungsmittel erfordert und typischerweise große, zentralisierte Produktionsanlagen benötigt.
Die enzymatische DNA-Synthese wird seit langem als sanftere Alternative verfolgt, die Wasser statt giftiger Chemikalien verwendet und die Art und Weise nachahmt, wie lebende Zellen auf natürliche Weise DNA aufbauen. Bisher hinkten enzymatische Methoden der konventionellen Herstellung im Durchsatz jedoch weit hinterher – die besten früheren Demonstrationen schafften nur etwa ein Dutzend Sequenzen gleichzeitig. Die Fähigkeit des Harvard-Chips, 64 Sequenzen von bis zu 39 Nukleotiden Länge zu synthetisieren, setzt einen neuen Maßstab.
Wie der Chip funktioniert
Die Oberfläche des Chips enthält 64 Synthesestellen, die jeweils zwei konzentrische Ringelektroden um verankerte DNA-Moleküle herum aufweisen. Bei Aktivierung erzeugt die innere Elektrode Protonen, die den lokalen pH-Wert senken und das Wachstum des DNA-Strangs um ein Nukleotid ermöglichen. Die äußere Elektrode entfernt gleichzeitig überschüssige Protonen und hält die saure Reaktion auf eine einzige Stelle beschränkt. Durch Wiederholung dieses Prozesses über mehrere Zyklen hinweg baut der Chip unabhängig 64 einzigartige DNA-Sequenzen auf seiner Oberfläche auf.
DNA-Datenspeicherung und der Weg nach vorn
Das Team demonstrierte eine verlockende Anwendung: die Kodierung einer 169-Byte-Textnachricht in die 64 DNA-Sequenzen, die der Chip produzierte. Während die DNA-basierte Datenspeicherung ein langfristiges Ziel bleibt, das enorme Produktionsmengen erfordert, sehen die Forscher die wasserbasierte enzymatische Synthese als einen zunehmend attraktiven Weg, wenn die Volumina wachsen, und bietet möglicherweise eine weitaus umweltfreundlichere Methode zum Schreiben von DNA in sehr großem Maßstab.
Ein entscheidendes Hindernis bleibt: Die Chemie der Entschützung, nicht der Chip selbst, erwies sich als limitierender Faktor, als das Team hochskalieren wollte. Die bei der Entschützung entstehenden Zwischenmoleküle können in benachbarte Synthesestellen abdriften und Sequenzen vermischen. "Der Chip hat getan, worum wir ihn gebeten haben," sagte Co-Erstautor Han Sae Jung. "Die Einschränkung kam von der Entschützungschemie, nicht vom Silizium. Das hinterlässt einen klaren nächsten Schritt für das Feld – eine direktere säuregetriebene Entschützungschemie zu entwickeln, die mit dem Chip Schritt halten kann."
