Ten chip miał badać neurony. Zamiast tego zaczął produkować DNA
Krzemowy chip kojarzy się nam przede wszystkim z komputerami, smartfonami i elektroniką. Tymczasem naukowcy z Uniwersytetu Harvarda pokazali, że podobna technologia może znaleźć zastosowanie w świecie biologii. Ich układ potrafi jednocześnie tworzyć 64 różne sekwencje DNA, wykorzystując do tego niewielkie impulsy elektryczne i proces enzymatyczny zachodzący w wodzie. Co ciekawe, urządzenie wcale nie powstało z myślą o produkcji materiału genetycznego. Początkowo miało pomagać w badaniu neuronów.
Zamiast kolejnego procesora powstała mała fabryka DNA
Najciekawsze w tej historii jest chyba to, że nie zaczyna się ona od pomysłu na nową metodę produkowania DNA. Chip został pierwotnie opracowany z myślą o rejestrowaniu aktywności elektrycznej dużych populacji neuronów. Badacze zorientowali się jednak, że niezwykle precyzyjne sterowanie prądem można wykorzystać również do kontrolowania reakcji chemicznych zachodzących na powierzchni układu. Wystarczyło odpowiednio zmodyfikować znajdujące się tam elektrody.
W efekcie powstało coś, co brzmi niemal jak scena z filmu science fiction, choć w rzeczywistości chodzi o bardzo konkretne rozwiązanie inżynieryjne. Na powierzchni chipa znajduje się 64 miejsc syntezy, a każde z nich może niezależnie tworzyć inną sekwencję DNA. Naukowcy zdołali w ten sposób uzyskać fragmenty liczące do 39 nukleotydów. To istotny krok, ponieważ wcześniejsze demonstracje enzymatycznej syntezy DNA pozwalały na równoległe tworzenie zaledwie około kilkunastu sekwencji.
Prąd nie ''drukuje'' DNA. Steruje chemią
Samo określenie ''chip piszący DNA'' może być trochę mylące. Układ nie działa jak drukarka, która nanosi gotowe fragmenty materiału genetycznego. DNA powstaje stopniowo, nukleotyd po nukleotydzie, a chip steruje warunkami, w których kolejne elementy mogą zostać dołączone do rosnącej nici. Kluczową rolę odgrywa tutaj lokalna zmiana pH wywoływana elektrycznie.
Każdy punkt syntezy ma układ pierścieniowych elektrod. Jedna z nich za pomocą prądu wytwarza w pobliżu DNA protony, obniżając pH. Druga pomaga ograniczyć ich rozprzestrzenianie się poza wybrane miejsce. Dzięki temu naukowcy mogą decydować, które fragmenty DNA mają zostać w danym momencie wydłużone, a które powinny pozostać nietknięte. Całość odbywa się w środowisku wodnym i z wykorzystaniem enzymów, co jest ważne także z punktu widzenia ograniczenia stosowania rozpuszczalników organicznych wykorzystywanych w tradycyjnej syntezie DNA.
To może być ważniejsze dla medycyny niż dla komputerów
Syntetyczne DNA nie jest ciekawostką zarezerwowaną dla laboratoriów. Wykorzystuje się je między innymi w diagnostyce, badaniach nad nowotworami czy inżynierii genetycznej. Dzisiaj produkcja takich sekwencji często wymaga wyspecjalizowanej infrastruktury, zaawansowanych komputerów i procesów wykorzystujących substancje chemiczne, których stosowanie na dużą skalę nie jest obojętne dla środowiska. Enzymatyczna metoda wykorzystująca wodę może więc w przyszłości otworzyć drogę do mniejszych i bardziej dostępnych urządzeń do syntezy DNA. Na razie jest to jednak perspektywa, a nie gotowy produkt, który jutro trafi do szpitali.
W tym miejscu widzę największy potencjał tego odkrycia. Mam nadzieję, że tego typu rozwiązania rzeczywiście przysłużą się medycynie, choć oczywiście między udanym eksperymentem a praktycznym zastosowaniem droga potrafi być bardzo długa. Możliwość szybkiego tworzenia wielu różnych sekwencji DNA w niewielkim urządzeniu mogłaby jednak z czasem ułatwić pracę laboratoriom, rozwój diagnostyki czy prowadzenie badań nad nowymi terapiami. Trudno dziś powiedzieć, które z tych zastosowań okaże się najważniejsze.
Naukowcy natrafili na ścianę, ale nie jest nią krzem
Harvardzki zespół sprawdził również, czy można zmniejszyć odległości pomiędzy poszczególnymi miejscami syntezy i tym samym upchnąć ich na chipie znacznie więcej. Eksperyment nie zakończył się sukcesem, ale przyniósł bardzo interesujący wniosek. Problemem nie okazała się elektronika. Chip nadal potrafił precyzyjnie kontrolować obszary o niskim pH. Ograniczeniem była chemia związana z usuwaniem tymczasowych grup blokujących kolejne etapy budowy DNA. Powstające w tym procesie pośrednie cząsteczki mogą przemieszczać się do sąsiednich miejsc i zakłócać ich pracę.
To ważne, bo pokazuje, że przed badaczami wciąż stoi sporo pracy. Jednocześnie kierunek wydaje się wyjątkowo interesujący. Zespół Harvarda wykorzystał już 64 sekwencje do zakodowania krótkiego tekstu o rozmiarze 169 bajtów, demonstrując potencjalne zastosowanie technologii również w przechowywaniu danych w DNA. Na masowe magazynowanie informacji jest zdecydowanie za wcześnie, ponieważ wymagałoby ono produkowania niewyobrażalnie dużych ilości materiału genetycznego. Jeśli jednak uda się znacząco zwiększyć skalę syntezy, połączenie elektroniki, enzymów i biologii może otworzyć drzwi do rozwiązań, które dzisiaj brzmią jeszcze dość futurystycznie.