Mikrosiru kirjoittaa DNA:ta vedessä turvallisesti nyt

Kuvittele mikrosiru, joka tekee muutakin kuin laskee: se kokoaa elämän kirjaimia. Pienet virrat, puhdas vesi ja entsyymit korvaavat säiliöt, joissa käytetään myrkyllisiä liuottimia. Tuloksena on piipinta, joka voi kirjoittaa useita eri DNA-juosteita samanaikaisesti.

Harvardin insinöörit muokkasivat piirin, jota aiemmin käytettiin kuuntelemaan neuroneja, ja muuttivat sen kemialliseksi työpajaksi. Piillä on 64 synteesipaikkaa, joissa konsentriset rengaselektrodit ohjaavat paikallista kemiaa. Kuljeta virta sisempää rengasta pitkin, niin protoneja syntyy ja pH laskee siinä kohdassa, missä DNA-juoste sijaitsee. Aja ulompi rengas vastakkaiseen suuntaan, niin harhaileva happamuus neutraloidaan ennen kuin se vaeltaa naapuriin. Temppu on kuin leikkausta: paikallinen happamoituminen käynnistää entsymaattiset vaiheet, jotka lisäävät nukleotideja yksi kerrallaan, ja renkaat pitävät reaktiot rajoitettuina, jotta vierekkäiset paikat eivät häiritse toisiaan.

Piiri tuotti 64 erillistä DNA-sekvenssiä, jokainen enintään 39 nukleotidin pituinen. Luku on vaatimaton verrattuna teollisiin fosforiamiditeknologian alustoihin, jotka tuottavat miljoonia juosteita, mutta se on ratkaiseva askel ensymaattiselle, vedenpohjaiselle synteesille. Miksi sillä on merkitystä? Koska perinteinen DNA-valmistus perustuu haitallisiin orgaanisiin liuottimiin ja keskitettyihin tehtaisiin. Entsymaattiset menetelmät toimivat vedessä ja jäljittelevät sitä, miten biologia itse rakentaa DNA:ta, mikä avaa mahdollisuuden pienempiin, turvallisempiin ja ympäristöystävällisempiin laitteisiin.

Kemiallinen tausta on yhtä aikaa elegantti ja herkkä. DNA kasvaa yksi nukleotidi kerrallaan, ja jokaisen lisäyksen jälkeen väliaikainen suojaryhmä estää jatkumisen. Tämän suojan poistaminen, eli deprotektointi, laukaistaan täällä paikallisella pH:n laskulla. Piirin elektroniikka saa nämä happamat kolot syntymään vain siellä missä niitä tarvitaan, mikä mahdollistaa rinnakkaisen synteesin pinnalla aktivoimalla eri paikkoja peräkkäisissä sykleissä.

Laite on kuitenkin vain osa kertomusta. Kun tiimi pyrki tiiviimpiin asetteluihin, elektroniset osat toimivat täsmälleen suunnitellusti, mutta kemia petti odotukset. Kävi ilmi, että happo ei suoraan poista suojaryhmää. Sen sijaan happo muodostaa välituotteita, jotka suorittavat varsinaisen deprotektoinnin, ja nämä välituotteet voivat diffundoitua pienten happamien saarten ulkopuolelle. Selkokielellä: pii pystyy pitämään happamuuden rajoitettuna, mutta kemia lähettää viestinviejiä, jotka lipsahtavat alueen ulkopuolelle. Tämä epäsuhta viittaa selkeimpään seuraavaan askeleeseen alalla: kehittää deprotektointireitti, joka toimii nopeasti, paikallisesti ja ilman liikkuvia välituotteita.

Käytännön sovellukset ovat jo näkyvissä. Tutkijat koodasivat 169 tavun tekstin 64 synteesattuun juosteeseen osoituksena DNA-pohjaisesta datan tallennuksesta. Pienten tiedostojen koodaaminen synteettiseen DNA:han on osoitettu aiemmin, mutta vihreämmällä, entsymaattisella lähestymistavalla tehtynä se antaa viitteitä siitä, miten tulevat tallennusjärjestelmät voisivat skaalautua ilman kemiallisten jätteiden moninkertaistumista. Syntetisaatiobiologia ja diagnostikka voisivat myös hyötyä, jos vedenpohjainen synteesi laajenee; siirrettävien ja turvallisempien DNA-kirjoituslaitteiden kehitys muuttaisi laboratorioiden ja klinikoiden toimintaa.

Neuronaaliseen tallennusalustaan perustuvan laitteen muokkaaminen molekyyli kerrallaan tapahtuvaan ohjaukseen kuvastaa nykyistä suuntausta tieteessä: yhteen tarkoitukseen suunnitellut työkalut voivat avata yllätyksiä toisella alueella. Harvardin tiimi muutti piirin tarkan virransyötön, jota aiemmin käytettiin solukalvojen avaamiseen, tavaksi muovata pH-maisemia, jotka ovat millimetrin laajuisia mutta mikrometrien tarkkuudella. Se on opetus poikkitieteellisestä ajattelusta ja teknisestä kärsivällisyydestä, jota vaaditaan piirien ja kemian yhdistämisessä.

Esteitä on edelleen. Skaalautuminen niihin valtaviin volyymeihin, joita käytännöllinen DNA-datan tallennus tai teollinen synteettinen biologia vaativat, edellyttää enemmän synteesipaikkoja ja uudelleen suunniteltuja kemioita, jotka toimivat hyvin piirin tilallisen tarkkuuden kanssa. Kokeilu on kuitenkin jo muuttanut näkökulmia: mikrosiru, joka kirjoittaa DNA:ta vedessä, vihjaa siihen, että kannettavat, vähäjätteiset DNA-tulostimet ovat mahdollisia, ja että elektroneille suunnitellut koneet voidaan saada valmistamaan molekyylejä. Jos kemia saavuttaa laitteiston kehityksen, tapa, jolla valmistamme geneettistä materiaalia, voi tuntua hyvin erilaiselta lähitulevaisuudessa.