Siliciumchips vormen al ruim een halve eeuw het hart en de hersens van computers. Steeds vaker worden ze ook gebruikt als platform om biologische processen op grote schaal te bestuderen en te manipuleren, het registreren van signalen van vele neuronen en het lezen van vele DNA-sequenties. Daar zou nu ook het synthetiseren van DNA-reeksen bij komen.
Harvardonderzoekers en collega’s hebben met behulp van een siliciumchip 64 verschillende DNA-sequenties geproduceerd. Dat deden ze niet met behulp van de oplosmiddelscheikunde die tegenwoordig dominant is in de productie van op maat gemaakt DNA, maar via een enzymatisch proces op waterbasis. De chip regisseert de parallelle enzymatische synthese met behulp van nauwkeurig gecontroleerde elektrische stroompjes om lokale reacties plaats voor plaats te activeren. Het onderzoek werd geleid door Donhee Ham.
Synthetisch DNA is tegenwoordig van groot belang voor biologisch en medisch onderzoek, voor diagnostiek, genoommanipulatie en dergelijke. Het grootste deel van het DNA wordt tegenwoordig geproduceerd met behulp van fosforamidietchemie, een gevestigd proces dat miljoenen sequenties parallel kan produceren, maar afhankelijk is van einig milieuvriendelijke organische oplosmiddelen en gecentraliseerde instellingen.

Gegevensopslag

Enzymatische DNA-synthese is in opkomst als een minder vervuilend, op water gebaseerd alternatief, dat dichter bij de manier staat waarop levende cellen DNA aanmaken. Daarmee zouden uiteindelijk kleinere, veiligere en toegankelijkere DNA-syntheses mogelijk kunnen worden. Met die methode zijn echter nog lang niet het aantal sequenties parallel te produceren dat fosforamidietchemie aan kan.
Tot nu toe kwam de enzymatische synthese niet verder dan twaalf tegelijkertijd geproduceerde DNA-sequenties. De onderzoekers waren in staat 64 verschillende sequenties parallel te synthetiseren, elk tot 39 nucleotiden (‘letters’) lang, een nieuwe record.

Nucleotide voor nucleotide

DNA-synthese verloopt nucleotide voor nucleotide. Elke nieuw toegevoegde nucleotide draagt ​​een tijdelijke blokkerende groep die verdere groei voorkomt. Om de volgende nucleotide toe te voegen, moet die groep worden verwijderd. Deze stap kan worden geactiveerd door de zuurgraad (de pH-waarde), van water te veranderen.

Bij parallelle synthese is het de truc om de pH alleen te verlagen op de plekken die in elke cyclus de volgende nucleotide moeten ontvangen. De Harvard-chip, met 64 syntheseplaatsen op het oppervlak, pakt dit probleem elektrochemisch aan. Elke plaats bevat twee concentrische ringelektroden die DNA omringen, verankerd in het midden.
Op een gekozen plaats stuurt de chipelektronica stroom naar de binnenste ring om protonen te genereren, waardoor de pH precies bij de DNA-strengen wordt verlaagd voor hun enzymatische verlenging. Tegelijkertijd onttrekt de chip stroom aan de buitenste ring om diffunderende protonen te verbruiken, waardoor de zone met lage pH zich niet naar buiten verspreidt.
In elke cyclus schakelt de chip deze lage-pH-functie alleen in op de plekken waar een nucleotide moet worden vervangen. Cyclus na cyclus zorgt dit ruimtelijke pH-patroon voor de groei van 64 verschillende DNA-sequenties.

De siliciumchip zelf is eigenlijk ontworpen in het lab van Ham voor intracellulaire registratie op het niveau van een neuronenpupulatie. Door de oppervlakte-elektroden aan te passen, heeft de groep het gebruik van deze elektronische basisstructuur uitgebreid, van intracellulaire registratie van duizenden neuronen – eerst honderden synaptische verbindingen, daarna tienduizenden – tot het aansturen van DNA-synthese.
Ham: “Een bepalend kenmerk van de chip was de precieze stroominjectie, die we gebruikten om neuronale membranen doorlaatbaar te maken voor intracellulaire toegang. Op een gegeven moment vroegen we ons af of diezelfde stroomregeling kon worden omgeleid van cellen naar moleculen door de elektroden die op de neuronen gericht waren te vervangen door ringelektrodeparen die de pH voor DNA-synthese konden lokaliseren. Het werkte.”

DNA voor gegevensopslag

Naast toepassingen op de korte termijn in de synthetische biologie en diagnostiek, gebruikte het team de 64 sequenties ook om een ​​tekst van 169 bytes te coderen, wat een mogelijkheid biedt op de langere termijn: DNA-gebaseerde gegevensopslag. Die blijft echter nog niet binnen handbereid, aangezien die toepassing DNA-synthese op enorme schaal zou vereisen.
Die schaal is echter ook wat een enzymatische route op waterbasis aantrekkelijk maakt. Naarmate de hoeveelheid te schrijven DNA toeneemt, worden het gebruik van oplosmiddelen en de milieubelasting steeds belangrijker. “DNA-dataopslag vereist DNA-synthese op een schaal die veel groter is dan wat we vandaag nodig hebben”, zegt medeonderzoeker Woo-Bin Jung van de Pohanguniversiteit (POSTECH), tijdelijk actief in de VS. “Daarom kan enzymatische synthese in water van belang zijn. Als veel meer dan 64 sequenties parallel gesynthetiseerd kunnen worden, zou dat een milieuvriendelijke route kunnen bieden om DNA op zeer grote schaal te schrijven.”

De ambitie om veel meer dan 64 DNA-sequenties te schrijven, liet één laatste vraag onbeantwoord: hoe ver kon de chip worden ‘opgerekt’? Om dat te achterhalen, probeerde de onderzoekers een ​​dichtere synthese, met dichter bij elkaar gelegen syntheseplaatsen gefabriceerd op dezelfde siliciumchip. De poging mislukte, maar leverde wel een van de belangrijkste bevindingen op. De chip bleek een lage pH goed te lokaliseren. Aanvankelijk was het een raadsel waardoor het niet werkte.
Na enig gezoek ontdekten de onderzoekers dat het probleem niet aan de elektronica lag, maar aan de scheikunde die in het onderzoek werd gebruikt. Een lage pH verwijdert de blokkerende groep niet rechtstreeks van het DNA. In plaats daarvan genereert het intermediaire moleculen die de onthechting uitvoeren. Deze intermediairen kunnen naar naburige locaties migreren en zo ontsnappen aan de beperking die zo goed werkte voor de pH zelf. Daardoor vervaagt de grens tussen locaties.

“De chip deed wat we ervan vroegen. Die lokaliseerde een lage pH op geselecteerde locaties”, zegt Han Sae Jung, weer een andere medeonderzoeker. “De beperking lag bij de deprotectiechemie (onthechtings-; as), niet bij het silicium. Dat laat een duidelijke volgende stap voor het vakgebied open: het ontwikkelen van een directere, zuurgedreven scheikunde die gelijke tred kan houden met de chip.”

Bron: Alpha Galileo