Традиционный синтез ДНК опирается на фосфорамидитную химию — хорошо отработанный метод, позволяющий производить миллионы последовательностей в параллельных циклах. Но этот процесс требует опасных органических растворителей и специализированного оборудования, что делает синтетическую ДНК дорогой и неэкологичной. Синтетическая ДНК критически важна для диагностики, генной инженерии и изучения рака.
Исследователи рассматривают ферментативный синтез на водной основе как более щадящую альтернативу традиционным методам — он ближе к естественным биологическим процессам. Но до сих пор ферментативные подходы сильно отставали по масштабу — удавалось синтезировать лишь около дюжины последовательностей за раз. Новый чип впервые синтезировал 64 последовательности параллельно, каждая длиной до 39 нуклеотидов. Этот рекорд доказывает, что метод может быть масштабирован.
На поверхности чипа расположены 64 независимых участка синтеза ДНК. Каждый участок оснащён парой кольцевых электродов, которые позволяют локально управлять кислотностью среды. Внутренний электрод при воздействии электрического сигнала создаёт область с пониженным pH, запускающую этап синтеза ДНК — снятие временной блокировки с цепи для присоединения следующего нуклеотида. Внешний электрод ограничивает распространение протонов за пределы участка и сохраняет независимость соседних зон. Благодаря этому чип может одновременно формировать 64 разные последовательности ДНК, не допуская их смешивания.
Интересно, что чип первоначально разрабатывался совсем для другого: ученые создали эту электронику для регистрации активности нейронов. Затем они заметили, что точный контроль токов, необходимый для работы с клетками, может также управлять химическими условиями синтеза ДНК. Потребовалось только переконфигурировать электроды.
Команда продемонстрировала еще одно потенциальное применение: с помощью 64 синтезированных последовательностей они закодировали текст объемом в 169 байт. Хранение данных на основе ДНК — долгосрочная цель, которая потребует производства в несравнимо больших масштабах, но ферментативный синтез может стать конкурентоспособным по мере роста объемов.
Дальнейшее увеличение числа одновременно синтезируемых последовательностей пока ограничивает не сам чип, а химия процесса. Исследователи проверили, можно ли разместить участки синтеза ближе друг к другу, и выяснили, что электрическая система хорошо контролирует расположение кислых зон (с пониженным pH). Однако некоторые промежуточные вещества, которые образуются при снятии защитных групп с растущей цепи ДНК, могут перемещаться в соседние области и мешать независимой работе участков. Поэтому следующий этап развития технологии — создание более точных химических реакций, которые позволят масштабировать производство ДНК без потери контроля.
