Silikon çipler onlarca yıldır modern bilgisayarların temelini oluşturuyor. Şimdi araştırmacılar bu çiplere biyoteknolojide bambaşka bir rol veriyor. Bilgi işlemenin yanı sıra, bu çipler artık canlı sistemleri incelemek için de kullanılıyor; nöronlardan aktivite kaydetmek, DNA okumak ve hatta DNA üretmek gibi.
Nature Electronics dergisinde yayımlanan yeni bir çalışmada, Harvard liderliğindeki bir araştırma ekibi, aynı anda 64 farklı DNA dizisini sentezleyebilen bir silikon çip tanıttı. Cihaz, sentetik DNA üretiminde yaygın olarak kullanılan çözücü yoğun kimyasal süreç yerine su bazlı enzimatik bir yaklaşım kullanıyor. Dikkatlice kontrol edilen elektrik akımları, çip üzerindeki belirli noktalarda DNA yapım reaksiyonlarını tetikliyor.
Araştırmaya, John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Fakültesi'nde (SEAS) John A. ve Elizabeth S. Armstrong Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Profesörü olan Donhee Ham liderlik etti.
DNA Üretiminde Daha Temiz Bir Yöntem
Sentetik DNA; teşhis, genom mühendisliği ve kanser araştırmaları da dahil olmak üzere modern bilim ve tıbbın birçok alanı için hayati önem taşıyor. Günümüzde çoğu özel DNA, milyonlarca DNA dizisini paralel olarak üretebilen köklü bir yöntem olan fosforamidit kimyası kullanılarak üretiliyor. Ancak bu süreç tehlikeli organik çözücülere dayanıyor ve genellikle özel merkezi tesisler gerektiriyor.
Bilim insanları, su kullandığı ve canlı hücrelerin doğal olarak DNA yapma şekline daha çok benzediği için enzimatik DNA sentezini daha nazik bir alternatif olarak araştırıyor. Bu yaklaşım, daha küçük, daha güvenli ve daha yaygın olarak bulunabilen DNA sentez sistemlerinin önünü açabilir.
Ancak şimdiye kadar enzimatik yöntemler, aynı anda üretebildikleri DNA dizisi sayısı açısından geleneksel üretimin çok gerisinde kalmıştı. Önceki denemeler en fazla bir düzine kadar diziyle sınırlıydı. Harvard ekibinin çipi, her biri 39 nükleotit uzunluğunda olan 64 farklı DNA dizisini paralel olarak sentezleyerek bu teknoloji için yeni bir kilometre taşı oluşturdu.
Silikon Çip DNA'yı Nasıl Yazıyor
DNA, her seferinde bir nükleotit eklenerek birleştirilir. Her nükleotit eklendikten sonra geçici bir bloke edici grup (koruyucu grup) daha fazla büyümeyi engeller. Bir sonraki nükleotit eklenmeden önce, bu bloke edici grubun, su içinde asidik koşullar (düşük pH) tarafından tetiklenen 'deproteksiyon' adı verilen bir işlemle çıkarılması gerekir.
Aynı anda birçok farklı DNA dizisi üretmek, her sentez döngüsünde yalnızca seçilen konumlarda pH'ı düşürmeyi gerektirir. Harvard çipi bunu küçük elektrik akımları kullanarak başarıyor.
Çipin yüzeyinde 64 sentez bölgesi bulunuyor. Her bölgede, merkeze bağlı DNA moleküllerini çevreleyen iki eşmerkezli halka elektrot yer alıyor. Belirli bir konum etkinleştirildiğinde, iç elektrot yerel pH'ı düşüren protonlar üretiyor ve DNA zincirinin uzamasına izin veriyor. Aynı anda dış elektrot, yayılan protonları uzaklaştırarak asidik bölgenin yalnızca o tek bölgeyle sınırlı kalmasını sağlıyor.
Bu işlemi birden çok döngü boyunca tekrarlayarak çip, yüzeyinde bağımsız olarak 64 benzersiz DNA dizisi inşa ediyor.
Beyin Araştırmalarından DNA Sentezine
İlginçtir ki çip aslında DNA üretmek için tasarlanmamıştı.
Ham'ın laboratuvarında eski bir doktora öğrencisi olan Jeffrey Abbott, başlangıçta büyük nöron popülasyonlarının içindeki elektriksel aktiviteyi kaydetmek için silikon elektroniği geliştirmişti. Araştırmacılar, yüzey elektrotlarını yeniden tasarladıktan sonra aynı temel teknolojinin DNA sentezi için gereken kimyasal koşulları hassas bir şekilde kontrol edebileceğini keşfetti.
Ham, "Çipin tanımlayıcı özelliklerinden biri, hücre içi erişim için nöronal zarları geçirgen hale getirmek amacıyla kullandığımız hassas akım enjeksiyonuydu" dedi. "Bir noktada, aynı akım kontrolünün hücrelerden moleküllere yönlendirilip yönlendirilemeyeceğini, nöronlara bakan elektrotların yerine DNA sentezi için pH'ı lokalize edebilecek halka elektrot çiftleri koyup koyamayacağımızı merak ettik. İşe yaradı."
DNA Veri Depolama Gelecekteki Bir Uygulama Olabilir
Sentetik biyoloji ve tıbbi teşhisteki potansiyel uygulamaların ötesinde ekip, 64 sentezlenmiş DNA dizisini kullanarak 169 baytlık bir metni kodlayarak başka bir olasılığı daha gösterdi.
DNA tabanlı veri depolama, devasa ölçekte DNA üretimi gerektireceği için uzun vadeli bir hedef olmaya devam etse de araştırmacılar, üretim hacimleri arttıkça su bazlı enzimatik sentezin giderek daha cazip hale gelebileceğine inanıyor. Çözücü kullanımını azaltmak, büyük ölçekli DNA üretiminin çevresel etkisini önemli ölçüde azaltabilir.
Çalışmanın ortak ilk yazarı ve bu çalışmayı Ham'ın laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olarak yürüten, şu anda Pohang Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nde (POSTECH) kimya mühendisliği yardımcı doçenti olan Woo-Bin Jung, "DNA veri depolama, DNA sentezinin bugünkü ihtiyaçların çok ötesinde bir ölçekte çalışmasını gerektiriyor" dedi. "Bu nedenle su içinde enzimatik sentez önemli hale gelebilir. 64'ten çok daha fazla dizi paralel olarak sentezlenebilirse, çok büyük ölçekte DNA yazmaya yönelik çevre dostu bir yol sunabilir."
Sıradaki Engel: Kimya
Araştırmacılar ayrıca çipin ne kadar daha fazla ölçeklenebileceğini de öğrenmek istedi. Aynı anda üretilen DNA dizilerinin sayısını artırmak umuduyla sentez bölgeleri birbirine daha yakın yerleştirilmiş çipler ürettiler.
Deney başarılı olmadı ancak önemli bir içgörü sağladı. Çip, düşük pH'ı amaçlanan konumlarda doğru bir şekilde sınırladı. Asıl sınırlama, deproteksiyon sırasında kullanılan kimyadan kaynaklandı.
Düşük pH, bloke edici grupları doğrudan çıkarmak yerine, deproteksiyon adımını gerçekleştiren ara moleküller üretiyor. Bu ara moleküller, pH sıkı bir şekilde kontrol edilse bile komşu sentez bölgelerine sürüklenerek reaksiyonlar arasındaki ayrımı azaltabiliyor.
Çalışmanın ortak ilk yazarı ve Harvard'da eski bir yüksek lisans öğrencisi ve şu anki doktora sonrası araştırmacısı olan Han Sae Jung, "Çip bizden isteneni yaptı: seçilen bölgelerde düşük pH'ı lokalize etti" dedi. "Sınırlama silikondan değil, deproteksiyon kimyasından geldi. Bu, alan için net bir sonraki adım bırakıyor: çipe ayak uydurabilecek daha doğrudan bir asit kaynaklı deproteksiyon kimyası geliştirmek."
İş Birliği ve Araştırma Desteği
Proje, Harvard, Broad Institute, DNA Script ve daha sonra POSTECH'teki araştırmacılar arasında bir iş birliğiydi. Harvard Teknoloji Geliştirme Ofisi, platformla ilgili fikri mülkiyet başvurusunda bulundu. Çalışma, "Paralel enzimatik DNA sentezi için bir yarı iletken çip" başlığını taşıyor.
Araştırma kısmen Ulusal İstihbarat Direktörü Ofisi (ODNI), İleri Araştırma Projeleri Faaliyeti (IARPA) (hibe no: 2019-19081900002), Horizon Europe Hyperion projesi (ID: 101115253) ve Samsung Elektronik'in Samsung Araştırma Fonlama ve Kuluçka Merkezi (proje no: SRFC-IT2402-09) tarafından desteklendi.
