۶۴ توالی DNA روی یک تراشه سیلیکونی همزمان تولید شد

پژوهشگران دانشگاه هاروارد موفق به توسعه یک تراشه نیمه‌هادی شده‌اند که قادر است با استفاده از جریان‌های الکتریکی و یک فرآیند آنزیمی مبتنی بر آب، ۶۴ توالی مختلف DNA را به‌طور همزمان سنتز کند؛ دستاوردی که می‌تواند جایگزینی سازگارتر با محیط‌زیست برای روش‌های متداول تولید DNA مصنوعی باشد.

به گزارش interestingengineering، این تراشه با بهره‌گیری از کنترل الکتریکی موضعی فرآیند سنتز DNA را تنها در نقاط مشخصی از سطح خود فعال می‌کند. محققان می‌گویند این فناوری نیاز به استفاده از شیمی فسفورآمیدیت روش رایج، اما وابسته به حلال‌های شیمیایی در تولید DNA مصنوعی را از بین می‌برد.

DNA مصنوعی یکی از ابزار‌های کلیدی زیست‌فناوری مدرن به شمار می‌رود و در حوزه‌هایی همچون تشخیص بیماری‌ها، مهندسی ژنوم، پژوهش‌های سرطان و توسعه فناوری‌های زیستی کاربرد گسترده‌ای دارد. با وجود آنکه سنتز آنزیمی DNA در سال‌های اخیر به‌عنوان روشی پاک‌تر و دوستدار محیط‌زیست مطرح شده است این فناوری تاکنون در دستیابی به مقیاس تولید روش‌های متداول با محدودیت‌هایی مواجه بوده است.

محققان هاروارد اعلام کردند که روش‌های آنزیمی موجود تاکنون تنها امکان تولید همزمان حدود ۱۲ توالی DNA را فراهم کرده بودند، اما در مطالعه جدید تراشه طراحی‌شده توانست ۶۴ توالی متمایز DNA را به‌صورت موازی تولید کند که طول هر یک از آنها به ۳۹ نوکلئوتید می‌رسد.

هدایت فرآیند سنتز DNA با استفاده از الکتریسیته

در فرآیند سنتز DNA نوکلئوتید‌ها به‌صورت مرحله‌ای و یک به یک به زنجیره DNA افزوده می‌شوند. پس از هر مرحله لازم است یک گروه مسدودکننده موقت حذف شود تا امکان اتصال نوکلئوتید بعدی فراهم شود.

برای کنترل دقیق این فرآیند پژوهشگران تراشه‌ای با ۶۴ جایگاه سنتز طراحی کردند. هر جایگاه شامل دو الکترود حلقوی هم‌مرکز است که رشته‌های DNA در مرکز آنها تثبیت شده‌اند.

زمانی که یک جایگاه فعال می‌شود الکترود داخلی با تولید پروتون‌ها موجب کاهش pH در اطراف رشته DNA موردنظر می‌شود. این محیط اسیدی شرایط لازم برای رشد آنزیمی DNA را فراهم می‌کند. همزمان الکترود بیرونی پروتون‌های منتشرشده را جذب می‌کند و از گسترش ناحیه اسیدی به جایگاه‌های مجاور جلوگیری می‌کند.

به این ترتیب پژوهشگران می‌توانند در هر چرخه سنتز تنها نقاط انتخاب‌شده را فعال کرده و تعداد زیادی توالی DNA متفاوت را به‌طور همزمان تولید کنند.

استفاده از فناوری توسعه‌یافته برای علوم اعصاب

این پژوهش بر پایه یک پلتفرم نیمه‌هادی بنا شده است که پیش‌تر برای کاربرد‌های علوم اعصاب توسعه یافته بود.

دون‌هی هام، استاد مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه هاروارد در این باره گفت: یکی از ویژگی‌های اصلی این تراشه تزریق بسیار دقیق جریان الکتریکی بود که از آن برای نفوذپذیر کردن غشای نورون‌ها و دسترسی به درون سلول استفاده می‌کردیم. در مقطعی به این فکر افتادیم که آیا می‌توان همین قابلیت کنترل جریان را به‌جای سلول‌ها برای مولکول‌ها به کار گرفت و الکترود‌های مرتبط با نورون را با جفت الکترود‌های حلقوی برای کنترل موضعی pH جایگزین کرد. نتیجه موفقیت‌آمیز بود.

گامی به سوی ذخیره‌سازی داده‌ها در DNA

پژوهشگران علاوه بر کاربرد‌های زیستی امکان استفاده از این فناوری در ذخیره‌سازی داده‌های دیجیتال در DNA را نیز بررسی کردند.

در این آزمایش تیم تحقیقاتی با استفاده از ۶۴ توالی DNA تولیدشده یک پیام متنی ۱۶۹ بایتی را رمزگذاری کرد و بدین ترتیب قابلیت این پلتفرم برای ذخیره‌سازی اطلاعات دیجیتال در مولکول‌های DNA را به نمایش گذاشت.

به گفته محققان در صورتی که تولید DNA در آینده به مقیاس‌های بسیار بزرگ برسد استفاده از روش‌های مبتنی بر آب می‌تواند اهمیت بیشتری پیدا کند.

ووبین جونگ از نویسندگان اصلی مقاله اظهار کرد: ذخیره‌سازی داده‌ها در DNA مستلزم تولید DNA در مقیاسی بسیار فراتر از نیاز‌های فعلی است. به همین دلیل سنتز آنزیمی در محیط آبی اهمیت پیدا می‌کند. اگر بتوان تعداد توالی‌های قابل سنتز همزمان را بسیار بیشتر از ۶۴ مورد افزایش داد این فناوری می‌تواند راهکاری سازگار با محیط‌زیست برای نگارش DNA در مقیاس‌های بسیار بزرگ باشد.

محدودیت اصلی؛ شیمی فرآیند نه تراشه

پژوهشگران همچنین تلاش کردند تعداد جایگاه‌های سنتز روی تراشه را افزایش دهند، اما این آزمایش‌ها با موفقیت همراه نبود. با این حال نتایج نشان داد که محدودیت اصلی از معماری الکترونیکی تراشه ناشی نمی‌شود بلکه به فرآیند شیمیایی حذف گروه‌های مسدودکننده مربوط است.

هان سه جونگ، دیگر نویسنده اصلی پژوهش گفت: تراشه دقیقا همان کاری را انجام داد که از آن انتظار داشتیم؛ یعنی کاهش موضعی pH را در نقاط انتخاب‌شده ایجاد کرد. محدودیت موجود به شیمی فرآیند حذف گروه‌های محافظ مربوط می‌شود نه به فناوری سیلیکونی تراشه.

نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nature Electronics منتشر شده است.