哈佛大學科學家將矽晶片變成 DNA 打字機

在發表於的一項新研究中 自然電子學哈佛大學領導的研究小組展示了一種能夠同時合成 64 種不同 DNA 序列的矽晶片。該設備不依賴通常用於製造合成 DNA 的溶劑密集型化學工藝，而是使用水基酶促方法。精心控制的電流會在晶片上的特定位置觸發 DNA 建構反應。

該研究由約翰·保爾森工程與應用科學學院 (SEAS) 工程與應用科學教授 Donhee Ham、約翰·A. 和伊麗莎白·S. 阿姆斯壯教授進行。

更清潔的 DNA 製造方法

合成 DNA 對於現代科學和醫學的許多領域至關重要，包括診斷、基因組工程和癌症研究。如今，大多數客製化 DNA 都是透過亞磷酰胺化學生產的，這是一種成熟的方法，可以並行生產數百萬個 DNA 序列。然而，這個過程依賴有害的有機溶劑，並且通常需要專門的集中設施。

科學家一直在研究酶法 DNA 合成作為一種更溫和的替代方案，因為它使用水並且更類似於活細胞自然構建 DNA 的方式。這種方法可以實現更小、更安全、更容易使用的 DNA 合成系統。

然而，到目前為止，酵素法在可同時產生的 DNA 序列數量方面遠遠落後於傳統製造方法。之前的演示一次僅限於十幾個序列。哈佛團隊的晶片並行合成了64個不同的DNA序列，每個序列有39個核苷酸長，創下了新的技術里程碑。

矽晶片如何寫入DNA

DNA 一次組裝一個核苷酸。添加每個核苷酸後，臨時封閉基團會阻止額外的生長。在添加下一個核苷酸之前，必須透過稱為去保護的過程去除該封閉基團，該過程由水中的酸性條件或低 pH 值觸發。

同時產生許多不同的 DNA 序列需要在每個合成週期中僅在選定的位點降低 pH 值。哈佛晶片透過使用小電流來實現這一點。

它的表面有64個合成位點。每個位點都有兩個同心環形電極圍繞著固定在中心的 DNA 分子。當特定位置被活化時，內部電極會產生質子，降低局部 pH 值並允許 DNA 鏈生長。同時，外電極去除向外擴散的質子，將酸性區域限制在該單一位置。

透過重複這個過程幾個週期，晶片在其表面獨立構建了 64 個獨特的 DNA 序列。

從大腦研究到 DNA 合成

有趣的是，該晶片最初並不是為製造 DNA 而設計的。

傑弗裡·阿博特 (Jeffrey Abbott) 是哈姆實驗室的前博士後學生，他最初開發矽電子裝置來記錄大量神經元內的電活動。重新設計表面電極後，研究人員發現相同的基礎技術可以精確控制 DNA 合成所需的化學條件。

Ham 說：「該晶片的一個特點是精確的電流注入，我們用它來過濾神經元膜以獲得細胞內通道。」「有一次，我們想知道是否可以透過用成對的環形電極替換面向神經元的電極，將相同的電流控制從細胞重定向到分子，這些環形電極可以定位 DNA 合成的 pH 值。它起作用了。」

DNA 資料儲存可能是未來的應用

除了在合成生物學和醫學診斷方面的潛在應用之外，該團隊還展示了另一種可能性，即使用 64 個合成 DNA 序列來編碼 169 位元組文字。

儘管基於 DNA 的數據儲存仍然是一個長期目標，但由於 DNA 製造需要大規模進行，研究人員認為，隨著產量的增長，基於水的酶合成可能會變得越來越有吸引力。減少溶劑的使用可以顯著減少大規模 DNA 製造對環境的影響。

研究的第一作者、現任浦項科技大學 (POSTECH) 化學工程助理教授、在 Ham 實驗室擔任博士後研究員的 Woo-Bin Jung 說：“DNA 數據存儲需要 DNA 合成以超出當前需求的規模運行。” “這就是為什麼水中的酶合成很重要。可以並行合成超過 64 個序列，它可以提供一種寫入環境的方式來大規模友好。

化學是下一個障礙

研究人員還想知道該晶片的可擴展性如何。他們製造的晶片的合成位點靠得更近，以增加同時產生的 DNA 序列的數量。

該實驗雖然不成功，但揭示了一個重要的見解。晶片本身精確地將低 pH 值限制在預定位置。真正的限制來自於脫保護中使用的化學物質。

低 pH 值不會直接移除封閉基團，而是會產生執行去保護步驟的中間分子。即使 pH 值得到很好的控制，這些中間分子也可以移動到相鄰的合成位點，從而減少反應之間的分離。

該研究的第一作者、前哈佛大學研究生、現任博士後研究員 Han Sae Jung 表示：“該晶片按照我們的要求做了：它將低 pH 值定位到選定的位置。” “限制來自脫保護化學，而不是矽。這為該領域留下了明確的下一步：開發一種更直接的酸驅動脫保護化學，可以與芯片保持同步。”

合作與研究支持

該計畫是哈佛大學、布羅德研究所、DNA Script 以及後來的浦項科技大學的研究人員之間的合作。哈佛大學技術開發辦公室已存檔與該平台相關的智慧財產權。研究的標題是「使用半導體晶片進行平行酶 DNA 合成」。

該研究得到了國家情報局 (ODNI)、情報高級研究項目活動 (IARPA)、2019-19081900002、Horizo​​​​n Europe、Hyperion 項目 ID：101115253 和三星電子未來技術三星研究資助與孵化中心項目號 SR2FC-09240 的部分支持。