پژوهشگران دانشگاه هاروارد موفق به توسعه یک تراشه سیلیکونی شدهاند که میتواند بهطور همزمان دهها توالی مختلف DNA را تولید کند، دستاوردی که میتواند روشهای رایج ساخت DNA مصنوعی را متحول کرده و مسیر توسعه دستگاههای قابلحمل تولید DNA و حتی ذخیرهسازی دادهها روی DNA را هموار سازد.
به گزارش ساینسدیلی، محققان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جانای پالسن (SEAS) دانشگاه هاروارد در مطالعهای که نتایج آن در نشریه Nature Electronics منتشر شده است از تراشهای رونمایی کردند که قادر است بهصورت همزمان ۶۴ توالی متفاوت DNA را سنتز کند.
برخلاف روشهای متداول تولید DNA مصنوعی که بر پایه فرآیندهای شیمیایی و استفاده گسترده از حلالهای آلی انجام میشوند این فناوری از یک روش آنزیمی مبتنی بر آب بهره میگیرد. در این سامانه جریانهای الکتریکی بسیار دقیق واکنشهای ساخت DNA را تنها در نقاط مشخصی از سطح تراشه فعال میکنند.
سرپرستی این پژوهش را دونهی هم استاد مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه هاروارد بر عهده داشته است.
جایگزینی پاکتر برای تولید DNA مصنوعی
DNA مصنوعی یکی از ابزارهای کلیدی زیستفناوری مدرن محسوب میشود و در حوزههایی مانند تشخیص بیماریها، مهندسی ژنوم، پزشکی دقیق و تحقیقات سرطان کاربرد گسترده دارد.
در حال حاضر بخش عمده DNAهای سفارشی با استفاده از روش شیمیایی فسفرآمیدیت (Phosphoramidite Chemistry) تولید میشوند؛ روشی که اگرچه امکان تولید میلیونها توالی DNA را بهصورت موازی فراهم میکند، اما به حلالهای آلی خطرناک وابسته است و معمولا تنها در مراکز تخصصی قابل اجراست.
در سالهای اخیر پژوهشگران به دنبال جایگزینی این روش با سنتز آنزیمی DNA بودهاند، زیرا این شیوه از آب استفاده میکند و شباهت بیشتری به فرآیند طبیعی ساخت DNA در سلولهای زنده دارد. چنین رویکردی میتواند در آینده امکان تولید سامانههای کوچکتر، ایمنتر و در دسترستر برای ساخت DNA را فراهم کند.
با این حال یکی از محدودیتهای اصلی این فناوری تعداد کم توالیهایی بود که بهطور همزمان قابل تولید بودند؛ بهگونهای که نمونههای پیشین تنها قادر به ساخت حدود ۱۲ توالی در هر مرحله بودند، اما تراشه جدید هاروارد موفق شده است ۶۴ توالی مستقل DNA با طول ۳۹ نوکلئوتید را بهصورت همزمان تولید کند که رکوردی جدید برای این فناوری به شمار میرود.
تراشه چگونه DNA را مینویسد؟
فرآیند ساخت DNA بهصورت مرحلهای و با افزودن یک نوکلئوتید در هر مرحله انجام میشود. پس از اضافه شدن هر نوکلئوتید یک گروه محافظ بهطور موقت از ادامه رشد رشته جلوگیری میکند. برای افزودن نوکلئوتید بعدی ابتدا باید این گروه محافظ طی فرآیندی موسوم به حذف محافظ (Deprotection) برداشته شود، فرآیندی که در محیط اسیدی یا pH پایین انجام میشود.
چالش اصلی در تولید همزمان چندین توالی DNA این است که کاهش pH تنها در نقاط مشخصی از سطح تراشه اتفاق بیفتد. پژوهشگران این مشکل را با استفاده از جریانهای الکتریکی بسیار دقیق حل کردهاند.
سطح تراشه شامل ۶۴ محل سنتز است که در هر یک دو الکترود حلقهای هممرکز پیرامون مولکولهای DNA قرار گرفتهاند. هنگام فعال شدن یک محل الکترود داخلی یونهای هیدروژن تولید میکند و موجب کاهش موضعی pH میشود، شرایطی که امکان رشد رشته DNA را فراهم میکند. همزمان الکترود خارجی یونهای هیدروژن اضافی را جمعآوری میکند تا محیط اسیدی به سایر نقاط تراشه گسترش پیدا نکند.
با تکرار این چرخه تراشه قادر است هر یک از ۶۴ توالی DNA را بهطور مستقل و همزمان بسازد.
فناوریای که از پژوهشهای علوم اعصاب متولد شد
نکته جالب توجه این است که این تراشه در ابتدا برای تولید DNA طراحی نشده بود.
جفری ابوت، دانشجوی دکتری سابق آزمایشگاه دونهی هم این سامانه الکترونیکی را ابتدا برای ثبت فعالیت الکتریکی تعداد زیادی نورون توسعه داده بود، اما پس از بازطراحی الکترودهای سطح تراشه، پژوهشگران دریافتند همان فناوری میتواند شرایط شیمیایی لازم برای سنتز دقیق DNA را نیز کنترل کند.
دونهی هم در اینباره گفت: ویژگی اصلی این تراشه تزریق دقیق جریان الکتریکی بود که ابتدا برای دسترسی به درون سلولهای عصبی از آن استفاده میکردیم. بعدها این ایده مطرح شد که شاید بتوان همین کنترل جریان را به جای سلولها برای کنترل مولکولها به کار گرفت و الکترودهای مربوط به نورونها را با الکترودهای حلقهای ویژه کنترل pH جایگزین کرد؛ نتیجه نیز موفقیتآمیز بود.
ذخیرهسازی داده روی DNA یکی از کاربردهای آینده
پژوهشگران علاوه بر ساخت توالیهای DNA توانستند با استفاده از همین ۶۴ توالی سنتزشده یک متن ۱۶۹ بایتی را در قالب DNA رمزگذاری کنند.
اگرچه ذخیرهسازی دادهها روی DNA هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد و برای عملیاتی شدن نیازمند تولید DNA در مقیاس بسیار بزرگ است، اما پژوهشگران معتقدند روش آنزیمی مبتنی بر آب میتواند در آینده گزینهای مناسب برای این حوزه باشد، زیرا وابستگی به حلالهای شیمیایی را کاهش داده و اثرات زیستمحیطی تولید انبوه DNA را به میزان قابل توجهی کم میکند.
وو بین جونگ از نویسندگان اول این پژوهش و استادیار مهندسی شیمی دانشگاه POSTECH کره جنوبی گفت: ذخیرهسازی داده در DNA به تولید DNA در مقیاسی بسیار فراتر از نیازهای امروزی احتیاج دارد. اگر بتوان تعداد توالیهای قابل سنتز همزمان را بسیار بیشتر از ۶۴ افزایش داد، روش آنزیمی مبتنی بر آب میتواند راهکاری سازگار با محیطزیست برای تولید انبوه DNA باشد.
مانع اصلی شیمی فرآیند نه تراشه
محققان در ادامه تلاش کردند با نزدیکتر کردن محلهای سنتز روی تراشه تعداد توالیهای قابل تولید را افزایش دهند اما این آزمایش به نتیجه مورد انتظار نرسید.
بررسیها نشان داد مشکل از طراحی تراشه نیست. تراشه توانسته بود کاهش pH را کاملا در محدوده مورد نظر حفظ کند، اما محدودیت از شیمی فرآیند حذف گروه محافظ ناشی میشد.
در این فرآیند pH پایین مستقیما گروه محافظ را حذف نمیکند بلکه ابتدا مولکولهای واسطهای تولید میشوند که وظیفه حذف گروه محافظ را بر عهده دارند. این مولکولهای واسطه میتوانند به نواحی مجاور نفوذ کرده و باعث تداخل میان واکنشهای سنتز شوند.
هان سه جونگ، دیگر نویسنده اول این مطالعه گفت: تراشه دقیقا همان کاری را انجام داد که انتظار داشتیم و توانست محیط اسیدی را فقط در محلهای مورد نظر ایجاد کند. محدودیت اصلی مربوط به شیمی فرآیند حذف محافظ بود نه فناوری نیمههادی؛ بنابراین گام بعدی توسعه نوعی شیمی مستقیمتر برای حذف گروههای محافظ است که بتواند با قابلیتهای تراشه هماهنگ شود.
این پروژه با همکاری پژوهشگرانی از دانشگاه هاروارد، موسسه برود، شرکت DNA Script و دانشگاه علوم و فناوری پوهانگ (POSTECH) انجام شده است. همچنین دفتر توسعه فناوری دانشگاه هاروارد برای این فناوری درخواست ثبت مالکیت فکری ارائه کرده است.
محققان معتقدند این فناوری میتواند در آینده زمینهساز توسعه دستگاههای رومیزی و حتی قابلحمل برای تولید DNA، کاربردهای گستردهتر در زیستشناسی مصنوعی، پزشکی، تشخیص بیماریها و همچنین ذخیرهسازی دادههای دیجیتال روی DNA باشد.
انتهای پیام/