Кремниевый чип научили параллельно синтезировать ДНК

Технология объединяет электронику и ферменты, чтобы сделать синтез ДНК параллельным, более безопасным и потенциально доступным вне крупных производственных центров

Синтез ДНК — это запись, а не чтение генетического кода

Секвенирование ДНК позволяет узнать, в каком порядке расположены четыре основания — A, T, G и C. Синтез решает обратную задачу: нужную последовательность необходимо построить с нуля, последовательно добавляя выбранные основания.

Так создают короткие фрагменты ДНК — олигонуклеотиды. Они необходимы для генетических тестов, лабораторных экспериментов, разработки диагностических систем, конструирования генов и многих направлений синтетической биологии.

По сути, исследователь сначала задает последовательность как цифровую инструкцию, а затем специальная система превращает эту инструкцию в реальную молекулу.

Проблема заключается в масштабе. Современным лабораториям нужны не только длинные последовательности, но и огромные библиотеки разных фрагментов. Создавать их по одному слишком медленно и дорого.

Почему традиционное производство ДНК трудно перенести на небольшой чип

Наиболее распространенный способ синтеза ДНК основан на фосфорамидитной химии. Он хорошо отработан и позволяет производить большое количество разнообразных последовательностей.

Однако такой процесс требует органических растворителей, специальных реагентов и сложной инфраструктуры. Некоторые используемые вещества токсичны, пожароопасны или создают значительный объем химических отходов.

Поэтому производство синтетической ДНК обычно сосредоточено на специализированных предприятиях. Лаборатория заказывает необходимые последовательности, ждет их изготовления и доставки, а затем приступает к эксперименту.

Ферментативный синтез предлагает другой подход. Вместо жестких химических условий он использует ферменты и преимущественно водную среду. Это потенциально делает процесс безопаснее и позволяет создавать более компактные устройства.

Но у ферментативного метода есть собственная проблема: его трудно распараллелить. Недостаточно просто научиться выращивать одну цепочку ДНК. Необходимо одновременно управлять тысячами или миллионами независимых реакций, не позволяя им мешать друг другу.

Как электроды выбирают место для следующей буквы ДНК

Основой экспериментальной системы стал CMOS-чип — полупроводниковая технология, широко применяемая в современной электронике.

На его поверхности исследователи разместили массив из 256 пар кольцевых электродов. Каждый такой участок мог работать как отдельная программируемая точка синтеза.

Электрический ток использовался не для непосредственного соединения оснований ДНК. Его задача была более тонкой: создать локальное изменение кислотности именно в выбранной точке.

Перед добавлением очередного нуклеотида растущая цепочка ДНК находится в заблокированном состоянии. Защитная химическая группа не позволяет ферменту бесконтрольно добавлять несколько оснований подряд.

Чтобы продолжить синтез, эту защиту необходимо снять. Чип создавал рядом с выбранными электродами кислую микросреду, которая запускала реакцию деблокирования. После этого фермент мог присоединить следующий нуклеотид.

Один раствор — множество разных последовательностей

Именно здесь происходит ключевой момент.

Для параллельного синтеза не обязательно подавать отдельный набор реагентов к каждой цепочке. Один и тот же нуклеотид можно добавить в общий раствор, но активировать для его присоединения только выбранные участки чипа.

Представьте поле из множества микроскопических ячеек. На одном цикле активируются только те ячейки, в которых по программе должна появиться буква A. На следующем этапе аналогично выбираются точки для T, затем для G или C.

Повторяя такие циклы, система создает на разных участках разные последовательности, хотя все они находятся на одной поверхности и контактируют с общей средой.

Исследователи показали синтез до 64 различных цепочек длиной 38–39 нуклеотидов. При этом отличающиеся друг от друга участки внутри последовательностей составляли 10–11 нуклеотидов, а остальные фрагменты использовались для идентификации и последующего анализа.

Это пока очень короткие молекулы. Полноценные гены могут содержать сотни или тысячи оснований. Поэтому речь идет не о готовой настольной «фабрике генов», а о демонстрации принципа управления параллельным синтезом.

ДНК на чипе использовали как носитель текста

Чтобы показать еще одно возможное применение технологии, авторы закодировали в последовательностях ДНК текстовый файл объемом 169 байт.

Сначала цифровая информация была переведена в комбинации генетических букв. Затем чип синтезировал соответствующие молекулы, а исследователи прочитали их с помощью секвенирования и восстановили записанные данные.

Объем эксперимента крайне мал по меркам обычной электроники. Даже короткая фотография занимает в тысячи раз больше места.

Однако цель заключалась не в создании конкурента флеш-накопителю. Эксперимент показал, что полупроводниковая система способна принять цифровую инструкцию и параллельно воплотить ее в физических последовательностях ДНК.

Интерес к молекулярному хранению связан с необычайно высокой потенциальной плотностью записи. В отличие от жестких дисков и магнитных лент, молекулы ДНК также могут сохраняться без постоянного энергоснабжения.

Главным препятствием остается не возможность записать информацию как таковую, а скорость и стоимость производства большого количества нужных последовательностей.

Почему 256 точек не означают 256 независимых цепочек

Чип содержал 256 программируемых участков, но в основном регионе эксперимента исследователи синтезировали 64 различные последовательности.

Это важное различие. Количество электродных точек показывает архитектурную емкость массива, но не означает, что система уже умеет надежно создавать столько же уникальных молекул одновременно.

Разным участкам могут назначаться одинаковые последовательности, чтобы получить повторные образцы и проверить воспроизводимость. Кроме того, часть возможностей платформы ограничивается не электроникой, а химией реакции, точностью локализации кислотности и эффективностью каждого цикла.

Даже небольшая ошибка становится существенной при последовательной сборке. Если отдельный шаг проходит с эффективностью 99%, потери накапливаются с каждым новым основанием. Чем длиннее цепочка, тем меньше доля молекул, собранных полностью без ошибок.

Поэтому дальнейшее масштабирование требует не только увеличения числа электродов. Необходимо повышать точность каждого химического и ферментативного этапа.

Локальная кислотность стала одновременно решением и ограничением

В представленной системе электроды сначала запускали электрохимическую реакцию, создававшую промежуточное вещество. Оно, в свою очередь, приводило к образованию кислоты рядом с выбранным участком.

Такой непрямой маршрут позволил продемонстрировать работоспособность технологии, но затрудняет дальнейшее увеличение скорости и плотности синтеза. Промежуточные вещества могут распространяться за пределы нужной зоны и снижать пространственную точность.

Авторы считают, что прямое электрохимическое создание локальной кислотности могло бы улучшить управление процессом. В этом случае чип быстрее активировал бы нужные участки и меньше зависел от диффузии промежуточных соединений.

Именно это отличает исследование от простой демонстрации устройства. Команда не только показала результат, но и проанализировала механизм, ограничивающий производительность платформы.

Масштабирование электроники выглядит проще, чем масштабирование биохимии

CMOS-технология умеет работать с очень плотными массивами элементов. Современные полупроводниковые устройства могут содержать огромное количество независимо управляемых компонентов.

В исследовании также тестировался отдельный чип со 120 000 пикселей для экспериментов с локализацией кислотности. Однако полноценный синтез ДНК на таком количестве точек одновременно пока не был продемонстрирован.

Это показывает главный разрыв между электроникой и молекулярной биологией. Электродные массивы уже можно миниатюризировать и масштабировать. Но химические реакции должны оставаться локальными, последовательными и достаточно точными на каждом из этих участков.

Чип может послать правильную команду. Но молекула должна выполнить ее без лишнего основания, пропущенного цикла или реакции в соседней точке.

Что технология может изменить в биомедицинских исследованиях

Если платформу удастся масштабировать, синтез ДНК сможет стать ближе к месту ее использования.

Лаборатории потенциально смогут производить небольшие библиотеки олигонуклеотидов непосредственно для конкретного эксперимента. Это сократило бы ожидание доставки и позволило бы быстрее изменять дизайн последовательностей после получения первых результатов.

Параллельный синтез особенно важен там, где исследователю нужны тысячи вариантов одной конструкции. Например, при поиске диагностических зондов, тестировании генетических регуляторов или создании библиотек для синтетической биологии.

Однако исследование не доказывает, что такие устройства уже готовы к клинической диагностике или промышленному производству. Для этого необходимо подтвердить качество синтеза, воспроизводимость, стоимость, скорость и возможность создавать значительно более длинные последовательности.

Важно и то, что доступность синтеза ДНК требует систем биобезопасности. Чем проще становится производство заданных последовательностей, тем важнее контроль заказов, программные ограничения и проверка потенциально опасных конструкций.

Чего исследователи пока не показали

Эксперимент не означает, что полупроводниковый чип может напечатать целый геном или заменить существующие фабрики синтетической ДНК.

Созданные цепочки были короткими. Продемонстрированное число уникальных последовательностей — 64 — значительно меньше масштабов, необходимых для многих высокопроизводительных задач.

Авторы также не утверждают, что их подход уже дешевле традиционного синтеза. Экономическая эффективность будет зависеть от расхода реагентов, ресурса чипа, скорости циклов, качества готовых молекул и дополнительных этапов обработки.

Ключевой результат гораздо точнее: исследователи соединили масштабируемую полупроводниковую архитектуру с управляемым ферментативным синтезом ДНК и показали, что разные последовательности можно создавать параллельно на одном чипе.