硅芯片在现代计算中已占据基础地位数十年。现在，研究人员为它们赋予了生物技术中全新的角色。除了处理信息外，这些芯片越来越多地被用于通过记录神经元的活动、读取DNA，甚至创建DNA来研究生物系统。在一项发表在《自然电子学》上的新研究中，哈佛大学领导的研究团队揭示了一种能够同时合成64种不同DNA序列的硅芯片。该设备采用基于水的酶促方法，而不是依赖于常用于合成DNA的溶剂密集型化学过程。经过精确控制的电流在芯片的特定位置触发DNA合成反应。该研究由Donhee Ham教授领导，他是约翰·亚当斯和伊丽莎白·S·阿姆斯特朗工程与应用科学教授，任职于约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)。 制造DNA的新方法 合成DNA对现代科学和医学的许多领域至关重要，包括诊断、基因组工程和癌症研究。目前，大多数定制DNA是使用磷酰胺化学方法生产的，这是一种公认的能够平行制造数百万个DNA序列的方法。然而，这一过程依赖于有害的有机溶剂，通常需要专门的集中设施。科学家们一直在探索酶促DNA合成作为一种更温和的替代方案，因为它使用水，且更接近生物细胞自然合成DNA的方式。这一方法最终可能实现更小、更安全且更广泛可用的DNA合成系统。然而，迄今为止，酶促方法在能够同时生产的DNA序列数量上远远落后于传统制造。之前的演示通常限于同时合成大约十个序列。哈佛团队的芯片成功地平行合成了64个不同的DNA序列，每个序列长达39个核苷酸，设定了这一技术的新里程碑。 硅芯片是如何写入DNA的 DNA是一核苷酸逐个组装的。在每添加一个核苷酸后，一个临时的阻断基团会防止进一步的增长。在下一个核苷酸可以连接之前，阻断基团必须通过一种称为去保护的过程移除，该过程是在水中通过酸性条件或低pH值触发的。要同时生产多种不同的DNA序列，需要在每个合成周期中仅在选定位置降低pH值。哈佛芯片通过微小的电流实现了这一点。其表面包含64个合成点。每个点有两个同心环电极环绕着锚定在中心的DNA分子。当激活特定位置时，内电极生成质子，降低局部pH并允许DNA链生长。与此同时，外电极移除扩散出去的质子，将酸性区域限制在单个位置。通过多次重复这一过程，芯片独立地在其表面构建64个独特的DNA序列。 从脑研究到DNA合成 有趣的是，这款芯片最初并不是为了制造DNA而设计的。哈佛大学的杰弗里·阿博特(Jeffrey Abbott)曾是Ham实验室的博士生，他最初开发了用于记录大规模神经元群体内部电活动的硅电子设备。在重新设计表面电极后，研究人员发现相同的基础技术可以精准控制DNA合成所需的化学条件。“芯片的一个决定性特征是精确的电流注入，我们用于使神经膜通透以便进行细胞内部访问，”Ham教授表示。“在某个时刻，我们想知道这种电流控制是否可以从细胞转向分子，将面向神经元的电极替换为环形电极对，以局部化pH供DNA合成。结果成功了。” DNA数据存储可能是未来的应用 除了在合成生物学和医学诊断中的潜在应用外，研究团队还展示了另一种可能性，通过使用64种合成的DNA序列来编码169字节的信息。虽然基于DNA的数据存储仍然是一个长期目标，因为它将需要大规模制造DNA，但研究人员相信，随着生产规模的增长，水基酶促合成将变得越来越具吸引力。减少溶剂的使用可以显著降低大规模DNA制造的环境影响。“DNA数据存储要求DNA合成在规模上远远超过今天的需求，”该研究的共同第一作者Woo-Bin Jung说道，他现在是浦项科技大学(POSTECH)的化学工程助理教授。他曾在Ham的实验室进行博士后研究。“这就是为什么水中的酶促合成会很重要。如果能够合成的序列数量远超64个，将会大有裨益。