Mikroschema rašo DNR vandenyje per enzimatinę sintezę

Įsivaizduokite mikroschemą, kuri daro daugiau nei tik skaičiuoja: ji surenka gyvenimo raides. Maži elektros srautai, grynas vanduo ir fermentai pakeičia statines nuodingo tirpiklio. Dėl to susidaro silicio paviršius, galintis vienu metu užrašyti daug skirtingų DNR grandinių.

Harvardo inžinieriai perdarė mikroschemą, kurią anksčiau naudodavo neuronams klausytis, ir pavertė ją cheminiu dirbtuviu. Kiekvienoje iš 64 sintezės vietų ant lusto koncentriški žiediniai elektrodai koordinuoja vietinę chemiją. Paleidus srovę per vidinį žiedą susidaro protonai, kurie sumažina pH ten, kur yra DNR grandinė. Leidžiant srovę per išorinį žiedą priešinga kryptimi, išsibarsčiusi rūgštis neutralizuojama, kol ji nespėja nukeliauti pas kaimyną. Triukas yra preciziškas: vietinis rūgštėjimas skatina enziminius žingsnius, kurie priduria nukleotidus po vieną, o žiedai apriboja tas reakcijas, kad gretimos vietos nesikištų.

Šis lustas pagamino 64 skirtingas DNR sekas, kiekviena iki 39 nukleotidų ilgio. Šis skaičius yra kuklus, palyginti su pramoninėmis fosforamidito platformomis, kurios gamina milijonus grandinių, tačiau tai lemiamas žingsnis enzimatinėje, vandeninėje sintezėje. Kodėl tai svarbu? Nes įprasta DNR gamyba remiasi pavojingais organiniais tirpikliais ir centralizuotomis gamyklomis. Enziminiai metodai veikia vandenyje ir imituoja, kaip pati biologija kuria DNR, atverdami kelią mažesniems, saugesniems ir aplinkai draugiškesniems įrenginiams.

Užkulisinė chemija yra ir elegantiška, ir kaprizinga. DNR auga po vieną nukleotidą, o po kiekvieno pridėjimo laikina apsauginė grupė neleidžia tolimesnio plėtimosi. Šio apsauginio bloko pašalinimas, vadinamas deprotekcija, čia suaktyvinamas vietiniu pH sumažėjimu. Lusto elektronika sukuria tas vietines rūgščias kišenes tik ten, kur reikia, leidžiant paralelinę sintezę per paviršių, aktyvuojant skirtingas vietas paeiliui.

Tačiau aparatinė įranga yra tik pusė istorijos. Kai komanda siekė tankesnių išdėstymų, elektronika elgėsi tiksliai taip, kaip numatyta, bet chemija juos išdavė. Paaiškėjo, kad rūgštis tiesiogiai nepašalina apsauginės grupės. Vietoj to rūgštis sukuria tarpininkaujančias molekules, kurios atlieka tikrąjį deprotekcijos darbą, ir šios tarpinės molekulės gali difunduoti už mažų rūgščių salelių ribų. Paprastai tariant, silicis gali sulaikyti rūgštį, bet chemija siunčia siuntėjus, kurie praslysta už ribų. Šis neatitikimas nurodo aiškiausią tolimesnį žingsnį sričiai: sukurti deprotekcijos kelią, veikiančią greitai, vietiškai ir be judrių tarpininkų.

Praktinės taikymo galimybės jau matomos. Tyrėjai užkoduodami 169 baitų tekstą į 64 sintezuotas grandines demonstravo DNR pagrįstą duomenų saugojimą. Mažų failų kodavimas sintetine DNR buvo parodytas anksčiau, tačiau darant tai žalesniu, enziminiu būdu, tai rodo, kaip ateities saugyklos galėtų mastuoti negausiai didinant cheminių atliekų kiekį. Sintetinė biologija ir diagnostika taip pat galėtų pasinaudoti, jei vandeninė sintezė išsiplės; nešiojamų ir saugesnių DNR rašančių įrenginių atsiradimas pakeistų laboratorijų ir klinikų darbo pobūdį.

Neuronų įrašymo platformos pritaikymas molekulė po molekulės valdymui atspindi šiuolaikinę mokslo kryptį: įrankiai, sukurti vienai sričiai, gali atrasti netikėtumus kitoje. Harvardo komanda perdarė lusto precizišką srovės įvedimą, kuris anksčiau buvo naudojamas atidaryti ląstelių membranas, į metodą modeliuoti pH reljefus milimetrų pločio ir mikronų tikslumo. Tai pamoka šoninio mąstymo ir techninės kantrybės, reikalingos sujungti grandines ir cheminių procesų valdymą.

Vis dar yra kliūčių. Mastelis iki astronominių apimčių, reikalingų praktiškam DNR duomenų saugojimui ar pramoninei sintetinei biologijai, reikalauja ne tik daugiau sintezės vietų, bet ir pertvarkytų cheminių procesų, kurie dera su lusto erdvine precizika. Tačiau eksperimentas jau pakeitė galimybių suvokimą: mikroschema, kuri rašo DNR vandenyje, rodo, kad įmanomos nešiojamos, mažai atliekų paliekančios DNR spausdintuvės, ir kad elektronams skirtus įrenginius galima priversti kurti molekules. Jei chemija sugebės vytis aparatūrą, genetinės medžiagos gamybos būdas netrukus gali pasikeisti iš esmės.