تراشه سیلیکونی هاروارد تولید DNA را متحول کرد
پژوهشگران دانشگاه هاروارد موفق شدهاند تراشهای سیلیکونی توسعه دهند که با استفاده از جریان الکتریکی و آب قادر است رشتههای DNA را تولید کند؛ دستاوردی که میتواند آینده تولید DNA مصنوعی را متحول کرده و وابستگی به مواد شیمیایی خطرناک را کاهش دهد.
به گزارش ساینس دیلی، این پژوهش که در نشریه Nature Electronics منتشر شده است این تراشه قادر است بهطور همزمان ۶۴ توالی متفاوت DNA را سنتز کند. برخلاف روشهای رایج که برای تولید DNA به حجم زیادی از حلالهای آلی و مواد شیمیایی نیاز دارند، فناوری جدید از یک فرآیند آنزیمی مبتنی بر آب بهره میگیرد که هم ایمنتر است و هم سازگاری بیشتری با محیط زیست دارد.
جایگزینی روشی قدیمی با فناوری مبتنی بر آب
DNA مصنوعی یکی از مهمترین ابزارهای زیستفناوری مدرن به شمار میرود و در حوزههایی مانند تشخیص بیماریها، مهندسی ژنوم، پزشکی شخصی، تحقیقات سرطان و زیستشناسی مصنوعی کاربرد گسترده دارد.
در حال حاضر بیشتر DNAهای مصنوعی با استفاده از روش شیمیایی موسوم به فسفورآمیدیت (Phosphoramidite Chemistry) تولید میشوند. اگرچه این فناوری امکان تولید میلیونها توالی DNA را بهصورت موازی فراهم میکند اما وابستگی آن به حلالهای آلی خطرناک و انجام فرآیند در مراکز صنعتی بزرگ از مهمترین محدودیتهای آن محسوب میشود.
در مقابل سنتز آنزیمی DNA در محیط آبی انجام میشود و شباهت بیشتری به فرآیند طبیعی ساخت DNA در سلولهای زنده دارد. همین ویژگی میتواند راه را برای ساخت دستگاههای کوچکتر، ایمنتر و قابل استفاده در آزمایشگاههای معمولی هموار کند.
با این حال یکی از چالشهای اصلی این روش تعداد پایین توالیهایی بود که میتوانست بهطور همزمان تولید کند. سامانههای پیشین حداکثر قادر به تولید حدود ۱۲ توالی به صورت موازی بودند.
اکنون تیم هاروارد این رکورد را به ۶۴ توالی مستقل افزایش داده است؛ هر یک از این توالیها نیز طولی تا ۳۹ نوکلئوتید دارند که یک رکورد جدید در سنتز موازی DNA به روش آنزیمی محسوب میشود.
تراشهای که با برق رشد DNA را کنترل میکند
رشتههای DNA به صورت مرحلهبهمرحله و با اضافه شدن یک نوکلئوتید در هر مرحله ساخته میشوند. پس از اضافه شدن هر نوکلئوتید یک گروه شیمیایی موقت مانع ادامه رشد رشته میشود و پیش از افزودن نوکلئوتید بعدی باید این مانع حذف شود. این مرحله که Deprotection نام دارد در محیط آبی با ایجاد شرایط اسیدی و کاهش مقدار pH انجام میشود.
چالش اصلی در تولید همزمان تعداد زیادی رشته DNA کنترل دقیق محل و زمان ایجاد این محیط اسیدی است زیرا فقط نقاط مشخصی از تراشه باید در هر مرحله اسیدی شوند. پژوهشگران برای حل این مشکل از فناوری نیمههادی استفاده کردند.
سطح تراشه شامل ۶۴ محل مستقل سنتز DNA است که هر کدام دارای دو الکترود حلقهای هممرکز هستند و رشتههای DNA در مرکز این حلقهها قرار گرفتهاند. زمانی که یک محل باید نوکلئوتید جدید دریافت کند تراشه جریان الکتریکی دقیقی را به حلقه داخلی ارسال میکند. این جریان باعث تولید یونهای هیدروژن (پروتون) و کاهش pH تنها در همان نقطه میشود در نتیجه آنزیم میتواند نوکلئوتید جدید را به رشته DNA اضافه کند.
همزمان حلقه خارجی جریان مخالف ایجاد میکند و پروتونهایی را که در حال انتشار به اطراف هستند مصرف میکند. این مکانیسم از سرایت محیط اسیدی به محلهای مجاور جلوگیری کرده و امکان تولید همزمان توالیهای کاملا مستقل را فراهم میکند. در طول چرخههای متوالی، این فرآیند بارها تکرار میشود تا در نهایت ۶۴ رشته متفاوت DNA ساخته شوند.
تغییر کاربری تراشهای که برای ثبت فعالیت نورونها ساخته شده بود
نکته جالب توجه این است که این تراشه در ابتدا اصلا برای تولید DNA طراحی نشده بود. این فناوری نخستین بار در آزمایشگاه دونهی هام توسط جفری ابوت، دانشجوی دکتری برای ثبت فعالیت الکتریکی هزاران نورون مغزی توسعه یافته بود. نسخههای اولیه این تراشه میتوانستند فعالیت هزاران سلول عصبی و صدها اتصال سیناپسی را ثبت کنند و نسخههای بعدی حتی امکان ثبت دهها هزار اتصال عصبی را نیز فراهم کردند.
پژوهشگران بعدها با تغییر طراحی الکترودهای سطح تراشه همین زیرساخت الکترونیکی را برای کنترل واکنشهای شیمیایی و هدایت سنتز DNA به کار گرفتند.
دونهی هام درباره این تغییر کاربری میگوید: ویژگی اصلی تراشه، تزریق بسیار دقیق جریان الکتریکی بود که قبلا برای دسترسی به داخل نورونها از آن استفاده میکردیم. بعدها این سوال مطرح شد که آیا میتوان همین فناوری را به جای سلولها برای کنترل مولکولها به کار گرفت. با جایگزینی الکترودهای ویژه نورون با الکترودهای حلقهای توانستیم pH را بهصورت موضعی کنترل کنیم و این روش برای سنتز DNA موفق عمل کرد.
گامی به سوی ذخیرهسازی اطلاعات در DNA
پژوهشگران علاوه بر نمایش قابلیت تولید DNA کاربرد دیگری نیز برای این فناوری به نمایش گذاشتند. آنها توانستند با استفاده از ۶۴ رشته تولیدشده یک متن دیجیتالی ۱۶۹ بایتی را داخل مولکولهای DNA رمزگذاری کنند. این آزمایش نمونهای کوچک از فناوری ذخیرهسازی داده در DNA محسوب میشود؛ فناوری آیندهنگری که در آن اطلاعات دیجیتال به جای هارددیسک یا حافظههای الکترونیکی داخل مولکولهای DNA ذخیره میشوند.
هرچند استفاده تجاری از این فناوری هنوز فاصله زیادی دارد اما تحقق آن نیازمند تولید حجم بسیار زیادی DNA است؛ موضوعی که اهمیت روشهای سازگار با محیط زیست را دوچندان میکند.
وو بین جونگ از نویسندگان اصلی مقاله و عضو هیئت علمی دانشگاه POSTECH کره جنوبی میگوید: ذخیرهسازی داده در DNA به تولید DNA در مقیاسی بسیار بزرگتر از نیازهای فعلی احتیاج دارد. اگر بتوان تعداد توالیهای قابل سنتز همزمان را بسیار بیشتر از ۶۴ رساند، سنتز آنزیمی مبتنی بر آب میتواند مسیر دوستدار محیط زیستی برای تولید انبوه DNA فراهم کند.
مهمترین مانع دیگر تراشه نیست بلکه شیمی واکنشهاست
پژوهشگران پس از موفقیت در تولید ۶۴ توالی، تلاش کردند تعداد محلهای سنتز را روی همان تراشه افزایش دهند تا تراکم بیشتری ایجاد شود، اما آزمایش با شکست مواجه شد. در ابتدا تصور میشد مشکل از سامانه الکترونیکی باشد اما بررسیهای بیشتر نشان داد تراشه وظیفه خود را بهدرستی انجام داده و کاهش pH تنها در نقاط موردنظر اتفاق میافتد.
مشکل اصلی به واکنش شیمیایی حذف گروه محافظ (Deprotection) مربوط میشود. در واقع کاهش pH مستقیما گروه محافظ را حذف نمیکند بلکه ابتدا مولکولهای واسطهای تولید میشوند که مسئول انجام این واکنش هستند. این مولکولها میتوانند به محلهای مجاور نفوذ کنند و باعث آغاز واکنش در نقاطی شوند که نباید فعال شوند.
هان سه جونگ دیگر نویسنده اصلی این مطالعه میگوید: تراشه دقیقا همان کاری را انجام داد که انتظار داشتیم یعنی محیط اسیدی را فقط در محلهای انتخابشده ایجاد کرد. محدودیت اصلی از شیمی فرآیند حذف گروه محافظ ناشی میشود نه از فناوری نیمههادی؛ بنابراین گام بعدی توسعه نوعی واکنش شیمیایی جدید است که مستقیما با اسید فعال شود و بتواند با دقت تراشه هماهنگ باشد.
محققان معتقدند این فناوری میتواند در آینده کاربردهای گستردهای در زیستشناسی مصنوعی، پزشکی دقیق، تشخیص بیماریها، مهندسی ژنتیک، تولید سریع DNA سفارشی و ذخیرهسازی اطلاعات در DNA داشته باشد.
انتهای پیام/
