Διεθνής ερευνητική ομάδα ανέπτυξε ένα τσιπ πυριτίου που μπορεί να συνθέτει DNA χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό και νερό, ανοίγοντας τον δρόμο για μια πιο καθαρή και φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο παραγωγής DNA και νέες εφαρμογές στη βιοτεχνολογία.
Τα τσιπ πυριτίου αποτελούν τη βάση της επανάστασης στους υπολογιστές εδώ και περισσότερα από 50 χρόνια. Σήμερα οι ερευνητές ανακαλύπτουν νέους τρόπους αξιοποίησής τους στη βιολογία όπως για την παρακολούθηση μεγάλων ομάδων νευρώνων, την αλληλούχιση DNA και ακόμη και την ίδια τη σύνθεση DNA.
Ερευνητική ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες από το Πανεπιστήμιου του Χάρβαρντ ανέπτυξε ένα τσιπ πυριτίου που μπορεί να συνθέτει ταυτόχρονα 64 διαφορετικές αλληλουχίες DNA.
Η μελέτη που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature Electronics» αντικαθιστά τη συμβατική χημεία παραγωγής συνθετικού DNA η οποία απαιτεί μεγάλες ποσότητες οργανικών διαλυτών με μια ενζυμική διαδικασία που πραγματοποιείται σε υδατικό διάλυμα. Αντί να ελέγχεται η σύνθεση του DNA με συμβατικό εργαστηριακό εξοπλισμό, το νέο τσιπ χρησιμοποιεί με ακρίβεια ελεγχόμενα ηλεκτρικά ρεύματα για να ενεργοποιεί χημικές αντιδράσεις σε συγκεκριμένα σημεία της επιφάνειάς του.
Ένα τσιπ που «γράφει» DNA μέσα στο νερό
Το συνθετικό DNA αποτελεί βασικό εργαλείο σε πολλούς τομείς της σύγχρονης επιστήμης και ιατρικής, όπως οι διαγνωστικές εξετάσεις, η γονιδιακή μηχανική και η έρευνα για τον καρκίνο.
Σήμερα το μεγαλύτερο μέρος του συνθετικού DNA παράγεται με τη μέθοδο της φωσφοραμιδιτικής χημείας. Πρόκειται για μια αξιόπιστη τεχνική που μπορεί να δημιουργεί εκατομμύρια αλληλουχίες ταυτόχρονα αλλά βασίζεται σε επικίνδυνους οργανικούς διαλύτες και πραγματοποιείται κυρίως σε μεγάλες, κεντρικές εγκαταστάσεις.
Η ενζυμική σύνθεση DNA αποτελεί μια πιο ήπια εναλλακτική λύση. Πραγματοποιείται σε νερό και προσομοιάζει περισσότερο τον φυσικό τρόπο με τον οποίο τα ζωντανά κύτταρα συνθέτουν το DNA τους. Στο μέλλον αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να οδηγήσει σε μικρότερες, ασφαλέστερες και πιο εύχρηστες συσκευές σύνθεσης DNA.
Μέχρι σήμερα, όμως, οι ενζυμικές μέθοδοι υστερούσαν σημαντικά ως προς τον αριθμό των διαφορετικών αλληλουχιών που μπορούσαν να παραχθούν ταυτόχρονα. Τα προηγούμενα συστήματα δεν ξεπερνούσαν περίπου τις δώδεκα αλληλουχίες. Η ερευνητική ομάδα αύξησε αυτόν τον αριθμό στις 64 διαφορετικές αλληλουχίες καθεμία μήκους έως και 39 νουκλεοτιδίων θέτοντας νέο σημείο αναφοράς για την παράλληλη ενζυμική σύνθεση DNA.
Πώς το τσιπ ελέγχει την ανάπτυξη του DNA
Το DNA κατασκευάζεται προσθέτοντας ένα νουκλεοτίδιο κάθε φορά. Μετά από κάθε προσθήκη, μια προσωρινή προστατευτική χημική ομάδα εμποδίζει τη συνέχιση της ανάπτυξης της αλυσίδας. Για να προστεθεί το επόμενο νουκλεοτίδιο, η προστατευτική αυτή ομάδα πρέπει πρώτα να αφαιρεθεί.
Η διαδικασία αυτή ονομάζεται αποπροστασία (deprotection). Σε υδατικό περιβάλλον, μπορεί να πραγματοποιηθεί δημιουργώντας ένα όξινο περιβάλλον με χαμηλό pH.
Η μεγαλύτερη δυσκολία στην παράλληλη σύνθεση DNA είναι να ελέγχεται με ακρίβεια πού και πότε δημιουργείται αυτό το όξινο περιβάλλον. Σε κάθε κύκλο σύνθεσης, μόνο τα σημεία που είναι έτοιμα να δεχθούν το επόμενο νουκλεοτίδιο πρέπει να παρουσιάζουν πτώση του pH.
Το νέο τσιπ λύνει αυτό το πρόβλημα χρησιμοποιώντας ηλεκτρισμό. Η επιφάνειά του διαθέτει 64 θέσεις σύνθεσης DNA, καθεμία από τις οποίες περιβάλλεται από δύο ομόκεντρα κυκλικά ηλεκτρόδια, ενώ στο κέντρο τους είναι στερεωμένες οι αναπτυσσόμενες αλυσίδες DNA.
Όταν μια συγκεκριμένη θέση πρέπει να δεχθεί ένα νέο νουκλεοτίδιο, το τσιπ διοχετεύει ηλεκτρικό ρεύμα στο εσωτερικό ηλεκτρόδιο. Έτσι παράγονται πρωτόνια, μειώνεται το pH ακριβώς γύρω από το DNA και επιτρέπεται η συνέχιση της ενζυμικής σύνθεσης.
Ταυτόχρονα, το εξωτερικό ηλεκτρόδιο απορροφά πρωτόνια που αρχίζουν να διαχέονται προς τα έξω, εμποδίζοντας το όξινο περιβάλλον να επηρεάσει τις γειτονικές θέσεις. Με την ενεργοποίηση διαφορετικών σημείων σε κάθε κύκλο, δημιουργούνται διαρκώς νέα μοτίβα περιοχών χαμηλού pH και, μετά από πολλούς κύκλους, σχηματίζονται 64 ανεξάρτητες αλληλουχίες DNA.
Από την καταγραφή νευρώνων στη σύνθεση DNA
Το συγκεκριμένο τσιπ είχε αρχικά σχεδιαστεί για την ταυτόχρονη ενδοκυτταρική καταγραφή ηλεκτρικής δραστηριότητας μεγάλου αριθμού νευρώνων. Οι πρώτες εφαρμογές του επέτρεψαν την καταγραφή της δραστηριότητας χιλιάδων νευρώνων και τη χαρτογράφηση εκατοντάδων συνάψεων, ενώ οι μεταγενέστερες εκδόσεις κατέγραψαν δεκάδες χιλιάδες συνδέσεις.
Τροποποιώντας τα ηλεκτρόδια στην επιφάνεια του τσιπ οι ερευνητές κατάφεραν να αξιοποιήσει την ίδια ηλεκτρονική τεχνολογία για έναν εντελώς διαφορετικό σκοπό: τη σύνθεση DNA. «Το βασικό χαρακτηριστικό του τσιπ ήταν η εξαιρετικά ακριβής έγχυση ηλεκτρικού ρεύματος, που χρησιμοποιούσαμε για να αποκτούμε πρόσβαση στο εσωτερικό των νευρώνων.
Κάποια στιγμή αναρωτηθήκαμε αν θα μπορούσαμε να κατευθύνουμε αυτή την ίδια δυνατότητα από τα κύτταρα στα μόρια, αντικαθιστώντας τα ηλεκτρόδια που απευθύνονταν στους νευρώνες με ζεύγη κυκλικών ηλεκτροδίων που θα δημιουργούσαν τοπικά χαμηλό pH για τη σύνθεση DNA. Και πράγματι λειτούργησε» αναφέρει ο Ντόνχι Χαμ καθηγητής Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών στη Σχολή John A. Paulson του Χάρβαρντ, επικεφαλής της έρευνας.
Προς την αποθήκευση δεδομένων σε DNA
Η τεχνολογία θα μπορούσε να βρει εφαρμογές στη συνθετική βιολογία και στις ιατρικές διαγνωστικές εξετάσεις. Οι ερευνητές παρουσίασαν επίσης μια πιο φουτουριστική εφαρμογή, χρησιμοποιώντας τις 64 αλληλουχίες DNA για να αποθηκεύσουν ένα κείμενο μεγέθους 169 byte.
Το πείραμα αυτό αποτελεί ένα μικρό παράδειγμα της αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων σε μόρια DNA, μιας τεχνολογίας που βρίσκεται ακόμη σε πρώιμο στάδιο ανάπτυξης. Η αποθήκευση δεδομένων σε DNA απαιτεί τεράστιες ποσότητες συνθετικού DNA, γεγονός που καθιστά ιδιαίτερα σημαντική την ανάπτυξη μιας περιβαλλοντικά φιλικής διαδικασίας παραγωγής.
«Η αποθήκευση δεδομένων σε DNA απαιτεί σύνθεση DNA σε κλίμακα πολύ μεγαλύτερη από τις σημερινές ανάγκες. Για αυτό η ενζυμική σύνθεση σε νερό μπορεί να αποδειχθεί τόσο σημαντική. Αν στο μέλλον μπορέσουμε να συνθέτουμε παράλληλα πολύ περισσότερες από 64 αλληλουχίες, θα έχουμε έναν φιλικό προς το περιβάλλον τρόπο παραγωγής DNA σε τεράστια κλίμακα» λέει ο Γου Μπιν Τζουνγκ, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο POSTECH της Νότιας Κορέας, μέλος της ερευνητικής ομάδας.
Το επόμενο εμπόδιο είναι η χημεία
Αφού πέτυχαν τη σύνθεση 64 αλληλουχιών, οι ερευνητές προσπάθησαν να αυξήσουν ακόμη περισσότερο την πυκνότητα των θέσεων σύνθεσης στο ίδιο τσιπ. Κατασκεύασαν μια νέα διάταξη με μικρότερες αποστάσεις μεταξύ των σημείων, όμως το πείραμα δεν απέδωσε τα αναμενόμενα αποτελέσματα. Παρότι αρχικά θεωρήθηκε αποτυχία, αποκάλυψε ένα από τα σημαντικότερα συμπεράσματα της μελέτης.
Στην αρχή οι επιστήμονες δυσκολεύτηκαν να εξηγήσουν το πρόβλημα, καθώς τα ηλεκτρονικά του τσιπ περιόριζαν με επιτυχία τις περιοχές χαμηλού pH μόνο στα επιλεγμένα σημεία. Νεότερα πειράματα έδειξαν ότι το πρόβλημα δεν προερχόταν από το τσιπ αλλά από την ίδια τη χημεία της αποπροστασίας.
Το χαμηλό pH δεν αφαιρεί άμεσα την προστατευτική ομάδα από την αλυσίδα DNA. Αντίθετα, δημιουργεί ενδιάμεσα μόρια που πραγματοποιούν την αντίδραση. Τα μόρια αυτά μπορούν να διαχυθούν σε γειτονικές θέσεις σύνθεσης, ξεφεύγοντας από τα αυστηρά ελεγχόμενα όρια του χαμηλού pH και προκαλώντας ανεπιθύμητες αντιδράσεις.
«Το τσιπ έκανε ακριβώς αυτό που του ζητήσαμε: δημιούργησε τοπικές περιοχές χαμηλού pH μόνο στα επιλεγμένα σημεία. Ο περιορισμός προέρχεται από τη χημεία της αποπροστασίας και όχι από την τεχνολογία του πυριτίου. Αυτό δείχνει ξεκάθαρα ποιο είναι το επόμενο βήμα: η ανάπτυξη μιας πιο άμεσης χημικής μεθόδου αποπροστασίας που θα μπορεί να αξιοποιήσει πλήρως τις δυνατότητες του τσιπ» εξηγεί η Χαν Σάε Τζουνγκ εκ των συγγραφέων της μελέτης.
Naftemporiki.gr
Για να εμφανίζονται περισσότερα άρθρα της Ναυτεμπορικής στις αναζητήσεις σας εύκολα και γρήγορα, πρέπει να προσθέσετε το site στις προτιμώμενες πηγές σας. Μπορείτε να το κάνετε πηγαίνοντας εδώ.
