Ricercatori di Harvard codificano 169 byte di testo nel DNA grazie a un chip a semiconduttore

Ricercatori dell'Università di Harvard hanno realizzato un chip a semiconduttore capace di sintetizzare 64 distinte sequenze di DNA in modo simultaneo, sfruttando un processo enzimatico in ambiente acquoso e correnti elettriche finemente controllate. Lo studio, pubblicato su Nature Electronics, stabilisce un nuovo riferimento per la sintesi enzimatica del DNA e indica nella chimica di deprotezione, e non nell'elettronica, il prossimo ostacolo tecnico da superare.

Il DNA sintetico è uno strumento fondamentale nella biologia e nella medicina moderne: viene impiegato in diagnostica, ingegneria genomica e ricerca oncologica. La produzione industriale di DNA su misura si basa oggi principalmente sulla chimica dei fosforamiditi, un processo consolidato in grado di generare milioni di sequenze in parallelo ma che dipende da solventi organici tossici e da impianti centralizzati.

La sintesi enzimatica del DNA si sta affermando come alternativa più sostenibile, più simile al meccanismo biologico con cui le cellule replicano il proprio materiale genetico, e potenzialmente adatta a strumenti più compatti e accessibili. Fino a oggi, tuttavia, questa metodologia si era dimostrata incapace di avvicinarsi alla produttività della chimica dei fosforamiditi: il limite pratico era attestato a circa una dozzina di sequenze sintetizzabili contemporaneamente.

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Il team guidato da Donhee Ham ha spostato quel limite a 64 sequenze distinte, ciascuna lunga fino a 39 nucleotidi. Il chip dispone di 64 siti di sintesi sulla sua superficie. Ognuno di essi è strutturato con due elettrodi ad anello concentrici che circondano i filamenti di DNA ancorati al centro. La sintesi del DNA avviene un nucleotide alla volta: dopo ogni aggiunta, un gruppo bloccante temporaneo deve essere rimosso prima che il nucleotide successivo possa legarsi. Questo passaggio, detto deprotezione, viene innescato da un ambiente acido, ovvero da un pH basso.

Per controllare spazialmente questa reazione, l'elettronica del chip inietta corrente nell'elettrodo interno di un sito prescelto, generando protoni che abbassano il pH localizzato attorno ai filamenti di DNA e abilitano così la loro elongazione enzimatica. Contemporaneamente, l'elettrodo esterno assorbe i protoni in diffusione, impedendo che la zona a basso pH si espanda verso i siti adiacenti. Ripetendo questa operazione sito per sito a ogni ciclo di sintesi, il chip costruisce in parallelo 64 sequenze di DNA differenti.

La piattaforma hardware non è nata per questo scopo. Il chip elettronico era stato progettato nel laboratorio di Ham da Jeffrey Abbott, all'epoca dottorando, per la registrazione intracellulare dei neuroni su scala poblazionale. La rielaborazione degli elettrodi di superficie ha poi consentito al gruppo di estendere la medesima architettura elettronica alla sintesi del DNA.

"Una caratteristica distintiva del chip era l'iniezione di corrente di precisione, che usavamo per permeabilizzare le membrane neuronali per l'accesso intracellulare", ha dichiarato Ham. "A un certo punto ci siamo chiesti se quel medesimo controllo della corrente potesse essere reindirizzato dalle cellule alle molecole - sostituendo gli elettrodi rivolti ai neuroni con coppie di elettrodi ad anello in grado di localizzare il pH per la sintesi del DNA. Ha funzionato".

Oltre alle applicazioni biologiche a più breve termine - biologia sintetica, diagnostica - il team ha esplorato le implicazioni per l'archiviazione di dati digitali su DNA, un settore che richiede volumi di sintesi enormemente superiori a quelli attuali. Utilizzando le 64 sequenze prodotte, i ricercatori hanno codificato un messaggio di testo da 169 byte, dimostrando la fattibilità del principio su questa piattaforma.

"L'archiviazione dati su DNA chiede alla sintesi di operare a una scala di gran lunga superiore alle esigenze attuali", ha affermato Woo-Bin Jung, co-primo autore dello studio. "Ecco perché la sintesi enzimatica in acqua può fare la differenza. Se si riuscisse a sintetizzare in parallelo molte più di 64 sequenze, potrebbe offrire una via ecologicamente sostenibile per scrivere DNA su scala molto ampia".

Per valutare i margini di miglioramento, il gruppo ha tentato di aumentare la densità dei siti di sintesi sul chip, avvicinandoli ulteriormente tra loro. Il tentativo non ha avuto successo, ma ha prodotto uno dei risultati più rilevanti dell'intero lavoro.

Attraverso esperimenti sistematici, i ricercatori hanno stabilito che il problema non era nell'architettura elettronica del chip, la quale localizzava correttamente il pH nei siti selezionati, bensì nella chimica di deprotezione impiegata nello studio. Il basso pH non rimuove direttamente il gruppo bloccante dal DNA: genera invece molecole intermedie che eseguono la deprotezione, e queste molecole possono diffondersi verso i siti vicini, vanificando il confinamento spaziale che l'elettronica era riuscita a garantire per il pH.

"Il chip ha fatto quello che gli abbiamo chiesto: ha localizzato il basso pH nei siti selezionati", ha dichiarato Han Sae Jung, co-primo autore dello studio e ricercatore postdottorale a Harvard. "Il limite proveniva dalla chimica di deprotezione, non dal silicio. Questo indica chiaramente il passo successivo per il settore: sviluppare una chimica di deprotezione più direttamente guidata dall'acido, capace di tenere il passo con il chip".