Cercetători sprijiniți de UE au sintetizat 64 de secvențe ADN în paralel pe un singur cip, folosind apă

Cercetători sprijiniți prin proiectul european HYPERION au sintetizat 64 de secvențe ADN distincte în paralel pe un singur cip semiconductor, folosind un proces enzimatic bazat pe apă, într-un pas care ar putea apropia stocarea digitală în ADN de o utilizare la scară mult mai mare. Experimentul depășește limita anterioară de aproximativ 12 secvențe sintetizate simultan și arată că un cip de siliciu poate controla cu precizie reacțiile chimice necesare pentru scrierea ADN-ului.

Stocarea datelor în ADN pornește de la capacitatea moleculei de a codifica informație într-un volum foarte mic și de a o păstra pentru perioade foarte lungi. În loc ca informația digitală să fie reprezentată prin biți într-un mediu magnetic sau electronic, datele sunt convertite într-o succesiune de baze ADN, care trebuie apoi sintetizată fizic și ulterior citită prin tehnologii de secvențiere.

Una dintre principalele dificultăți este etapa de scriere. Pentru ca ADN-ul să devină un mediu practic de stocare, sistemele trebuie să poată produce simultan un număr foarte mare de secvențe diferite, rapid și la costuri suficient de mici. Metodele convenționale pot genera milioane de secvențe, dar se bazează în mod obișnuit pe chimia fosforamiditelor și pe solvenți organici periculoși, necesitând instalații centralizate specializate.

Sinteza enzimatică încearcă să ofere o alternativă mai apropiată de procesele biologice naturale și poate funcționa în apă, ceea ce reduce dependența de solvenți organici. Problema a fost până acum scalarea: metoda nu reușise să producă simultan suficiente secvențe pentru ca stocarea în ADN să devină realistă pentru volume mari de date.

Experimentul realizat cu sprijinul proiectului HYPERION mută această limită. Echipa a demonstrat că un cip semiconductor poate coordona 64 de reacții de sinteză distincte în paralel și poate controla suficient de precis fiecare punct în care trebuie adăugate elementele unei secvențe ADN.

Procesul presupune adăugarea nucleotidelor unul câte unul. Pentru ca următorul nucleotid să poată fi atașat, un grup temporar de blocare trebuie îndepărtat într-o etapă numită deprotecție. Această reacție trebuie declanșată numai în locurile unde se dorește continuarea unei anumite secvențe.

Cipul folosește electrozi care generează protoni prin intermediul curenților electrici și reduc local pH-ul. Modificarea acidității declanșează reacția necesară doar în punctele selectate, ceea ce permite programarea diferitelor secvențe pe suprafața aceluiași cip.

Tehnologia semiconductorului nu fusese concepută inițial pentru sinteza ADN. Cipul fusese dezvoltat pentru înregistrarea activității neuronale și pentru injectarea controlată de curent electric, iar cercetătorii au adaptat sistemul astfel încât controlul electric să fie transferat de la interacțiunea cu celulele la controlul moleculelor.

Profesorul de la Harvard și autor principal al studiului Donhee Ham a explicat că echipa s-a întrebat dacă același control al curentului ar putea fi folosit pentru a localiza schimbările de pH necesare sintezei ADN.

“At a certain point, we wondered whether that same current control could be redirected from cells to molecules,” a declarat Ham.

Rezultatul a fost posibilitatea de a sintetiza 64 de secvențe distincte în paralel. Pentru a demonstra că secvențele pot reprezenta informație digitală, cercetătorii le-au folosit pentru a codifica un text cu dimensiunea de 169 de bytes.

Demonstrația nu înseamnă că tehnologia poate înlocui în prezent memoria electronică sau sistemele comerciale de stocare. Cantitatea de date codificată în experiment este foarte mică în comparație cu necesitățile actuale, iar dezvoltarea către o tehnologie comercială presupune creșterea numărului de secvențe sintetizate simultan cu mai multe ordine de mărime.

Importanța experimentului constă în demonstrarea unei arhitecturi care poate fi scalată. Un cip semiconductor poate conține un număr foarte mare de elemente controlabile individual, iar industria microelectronică are deja experiență în producerea structurilor extrem de dense și precise.

Woo-Bin Jung, unul dintre autorii principali, a legat această posibilitate de cerințele foarte mari ale stocării datelor în ADN. Sinteza necesară pentru stocare trebuie să funcționeze la o scară mult peste necesitățile actuale din cercetarea biologică.

“DNA data storage asks DNA synthesis to operate at a scale far beyond today’s needs,” a declarat Jung.

În această logică, folosirea enzimelor și a apei poate deveni relevantă dacă sistemul reușește să depășească mult cele 64 de secvențe demonstrate în prezent. Cercetătorii consideră că o asemenea evoluție ar putea oferi o cale cu impact de mediu mai redus pentru scrierea ADN-ului la scară mare.

Experimentul a identificat însă și următorul obstacol. Atunci când echipa a încercat să apropie mai mult punctele de sinteză pentru a crește densitatea, molecule intermediare rezultate în timpul deprotecției au început să se deplaseze către zonele vecine.

Această migrare reduce separarea dintre punctele de sinteză și poate produce reacții acolo unde acestea nu sunt dorite, diminuând precizia. Problema limitează numărul de secvențe care pot fi plasate într-o anumită suprafață a cipului.

Cercetătorii au concluzionat că limita nu mai provine în principal din capacitatea electronică a semiconductorului. Cipul poate localiza modificarea de pH suficient de precis, dar chimia reacției nu rămâne la fel de bine confinată atunci când punctele de sinteză sunt plasate foarte aproape.

“The limitation came from the deprotection chemistry, not from the silicon,” a declarat Han Sae Jung, coautor principal al cercetării.

Această constatare oferă o direcție clară pentru următoarea etapă. Cercetătorii consideră necesară dezvoltarea unei chimii de deprotecție mai directe, declanșate de acid, care să rămână localizată suficient de bine pentru a permite folosirea densității pe care cipurile moderne o pot oferi.

Dacă această problemă este rezolvată, aceeași arhitectură ar putea permite creșterea numărului de secvențe sintetizate în paralel fără ca fiecare punct să necesite un sistem separat de control. Scalarea prin semiconductor este tocmai unul dintre avantajele pe care proiectul încearcă să le exploateze.

HYPERION urmărește dezvoltarea unei tehnologii accesibile și scalabile pentru stocarea datelor în ADN prin combinarea sintezei enzimatice cu circuite semiconductoare foarte dense de tip CMOS. Proiectul este finanțat de Uniunea Europeană, iar rezultatul prezentat acum reprezintă o etapă în demonstrarea conceptului tehnologic.

Stocarea în ADN este investigată deoarece densitatea teoretică a informației poate fi mult mai mare decât în mediile convenționale și pentru că moleculele pot păstra informația fără alimentare electrică continuă. Aceste proprietăți o fac interesantă în special pentru arhivarea pe termen foarte lung a unor cantități mari de date.

Obstacolele rămân însă considerabile. Scrierea ADN este încă lentă și costisitoare în raport cu tehnologiile electronice, iar procesul de sinteză, stocare fizică și citire trebuie să devină suficient de automatizat și scalabil pentru a putea concura cu alte soluții de arhivare.

Demonstrația cu 64 de secvențe nu rezolvă aceste probleme, dar arată că partea de control poate fi mutată pe o platformă semiconductor familiară industriei electronice. În loc ca sinteza ADN să fie realizată numai în echipamente chimice centralizate, reacțiile ar putea fi coordonate într-un sistem integrat mult mai compact.

Utilizarea apei reprezintă o diferență suplimentară față de metodele tradiționale de sinteză. CORDIS descrie abordarea enzimatică drept o alternativă mai curată, deoarece evită o parte dintre solvenții organici periculoși utilizați în procesele convenționale.

Această caracteristică poate deveni importantă dacă sinteza ADN ajunge la volume foarte mari. O tehnologie de stocare destinată unor cantități masive de date trebuie evaluată și în funcție de energia, materialele și substanțele chimice necesare pentru producerea mediului de stocare.

Rezultatele cercetării au fost publicate în Nature Electronics și sunt prezentate de CORDIS ca parte a rezultatelor proiectului HYPERION. Materialul nu anunță lansarea unui produs comercial și nu stabilește un calendar pentru introducerea pe piață a stocării datelor în ADN.

Următoarea etapă este îmbunătățirea chimiei astfel încât densitatea punctelor de sinteză să poată crește fără contaminare între zonele vecine. Dacă această limitare poate fi depășită, numărul de secvențe produse simultan ar putea crește mult peste nivelul demonstrat acum.

HYPERION este un proiect finanțat de UE care urmărește demonstrarea unei tehnologii accesibile și scalabile pentru stocarea digitală în ADN, folosind sinteză enzimatică și circuite semiconductoare CMOS cu densitate ridicată.

Studiul prezentat de CORDIS arată sintetizarea a 64 de secvențe distincte pe un singur cip și codificarea unui text de 169 de bytes. Rezultatul depășește limita anterioară de aproximativ 12 secvențe sintetizate în paralel.

Cercetarea indică și faptul că următorul obstacol major nu este capacitatea cipului de siliciu, ci controlul chimic al reacției de deprotecție. Rezolvarea acestei probleme este necesară înainte ca tehnologia să poată fi extinsă către densitățile cerute de stocarea comercială a datelor.