|
Новая техника может ускорить синтез ДНК
|
|
|
|
рН — концентрация протонов в водном растворе — указывает, насколько кислым является раствор. Он регулирует широкий спектр естественных и искусственных химических процессов, включая синтез разработанных последовательностей ДНК для применения в биотехнологии. Равномерное изменение pH во всем растворе на водной основе является стандартной практикой в химии. Но что, если бы исследователи могли создать массив локализованных областей pH, где протоны сконцентрированы более интенсивно, чем в других частях раствора? Это позволило бы им проводить химию с регулируемым pH в каждом из этих мест параллельно, резко увеличивая производительность эксперимента и ускоряя процессы синтеза ДНК, который имеет применение в геномике, синтетической биологии, разработке вакцин и других методах лечения, а также в хранении данных. Но локализация pH является сложной задачей, потому что протоны быстро распространяются в растворе на водной основе.
|
|
|
|
Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) в сотрудничестве с исследователями из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда, а также с биотехнологической компанией DNA Script, специализирующейся на лабораторном ферментативном синтезе ДНК, разработали метод контроля рН на локальном уровне, создавая плотный массив микросайтов, где количество протонов в 100-1000 раз выше, чем в среднем в остальной части раствора. «Эта работа позволяет высокопроизводительное применение широкого спектра химии с регулируемым pH, включая биомолекулярный синтез», — сказал Донхи Хэм, профессор электротехники и прикладной физики Гордона Маккея в SEAS и соавтор статьи. «Это стало возможным благодаря массиву микрометровых электрохимических ячеек уникальной геометрии, изготовленных на полупроводниковой интегральной схеме и управляемых ими», — сказал Хункун Пак, профессор химии и физики Марка Хаймана-младшего и соавтор. старший автор статьи. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
|
|
|
Полупроводниковый чип с 256 электрохимическими ячейками на своей поверхности напрямую взаимодействует с водным раствором молекул хинона. Каждая ячейка выглядит как яблочко с двумя концентрическими металлическими кольцами. Внутреннее кольцо подает ток в раствор для электрохимического производства протонов из молекул хинона. Эти локально генерируемые протоны пытаются распространиться, но нейтрализуются вблизи внешнего кольца, которое электрохимически производит молекулы основания из молекул хинона, вытягивая ток из раствора. Таким образом, локально генерируемые протоны захватываются в центре и вокруг центра яблочка, создавая кислую микросреду с пониженным pH. «По сути, в каждой активированной электрохимической ячейке мы устанавливаем электрохимическую стенку с помощью внешнего кольца, через которое кислота, генерируемая внутренним кольцом, не может проникнуть», — сказал Хан Сэ Юнг, аспирант SEAS и соавтор статьи. . «Поскольку каждая ячейка управляется независимо базовым полупроводниковым чипом, мы можем понизить pH в любом произвольном подмножестве из 256 электрохимических ячеек, которые мы выбираем для активации. Уникальная структура ячейки, которую мы разработали на полупроводниковом электронном чипе, позволяет осуществлять это пространственно-избирательное программирование pH. ."
|
|
|
|
«Наше устройство может не только локализовать и точно настраивать pH, регулируя токи концентрических колец каждого гальванического элемента, но также может контролировать pH в режиме реального времени с помощью встроенных датчиков pH, распределенных по массиву гальванических элементов», — сказал Ву-Бин Юнг. , научный сотрудник SEAS и соавтор статьи. «Поэтому мы можем создать любую пространственную картину целевых значений pH или топографию pH в водном растворе с обратной связью в реальном времени от карты пространственной картины pH, которую мы отображаем». «В то время как традиционный химический синтез ДНК осуществляется в неводной среде, ферментативный синтез ДНК в водной среде быстро вызывает интерес, поскольку он сводит к минимуму молекулярные повреждения и образование опасных отходов и может увеличить скорость и производительность синтеза», — сказал Ксавье Годрон, технический директор DNA Script и соавтор статьи. «Таким образом, наши манипуляции с пространственными паттернами pH в водной среде могут привести к высокопроизводительному ферментативному синтезу ДНК с множеством приложений в биотехнологии, от белковой инженерии и скрининга антител до хранения информации о ДНК».
|
|
|
|
«Эта работа демонстрирует силу междисциплинарных подходов, объединяющих полупроводниковую электронику, электрохимию и молекулярную биологию. Эта технология прокладывает путь для ряда дополнительных биологических приложений, включая олигобиблиотеки для диагностики и разработки ферментов на основе синтетической биологии», — сказал Роберт. Никол, старший директор по развитию технологий в Broad Institute и соавтор статьи. «Интеграция этих разнообразных дисциплин требует тесного сотрудничества команд, желающих учиться друг у друга в промышленности и академических кругах».
|
|
|
|
Источник
|
