Harvard aynı anda 64 DNA dizisi üreten silikon çip geliştirdi

Harvard Üniversitesi John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu bünyesinde yürütülen araştırmada, yarım yüzyılı aşkın süredir bilişim sektörüne yön veren silikon çipler sentetik DNA üretimi için kullanıldı. Harvard Profesörü Donhee Ham liderliğindeki ekip, zararlı organik çözücülere dayanan geleneksel kimyasal süreçlerin yerine silikon çip üzerinde çalışan, su bazlı ve enzimatik bir DNA sentez platformu geliştirdi. Çalışma; teşhis, genom mühendisliği, kanser araştırmaları ve DNA tabanlı veri depolama gibi alanlarda üretim maliyetlerinin düşürülmesi ve süreçlerin daha küçük ölçekli sistemlere taşınması açısından yeni bir yöntem sunuyor.

SU BAZLI ENZİMATİK SENTEZ

Sentetik DNA üretiminde mevcut yöntemler büyük ölçüde fosforamidit kimyasına dayanıyor. Milyonlarca dizinin paralel biçimde üretilmesine olanak tanıyan bu süreçte toksik ve tehlikeli organik çözücüler kullanılması nedeniyle üretim, büyük ve merkezi endüstriyel tesislerde gerçekleştiriliyor. Bu yapı, biyofarmasötik şirketleri açısından yüksek lojistik maliyetler ve çevresel riskler oluşturuyor. Harvard ekibinin geliştirdiği su bazlı enzimatik yöntem ise canlı hücrelerin doğal sentez mekanizmasını taklit ediyor. Su ortamında gerçekleşen süreç, DNA yazma cihazlarının masaüstü ölçeğe küçültülmesine, işletme maliyetlerinin azaltılmasına ve üretim güvenliğinin artırılmasına imkân sağlıyor. Daha önce geliştirilen enzimatik sistemler aynı anda en fazla yaklaşık 12 dizi üretebilirken Harvard’ın silikon çipi, her biri 39 nükleotid uzunluğunda 64 farklı DNA dizisini eş zamanlı olarak sentezleyebildi.

ELEKTRİK AKIMIYLA PH KONTROLÜ

Sistem, geleneksel laboratuvar ekipmanları yerine çip yüzeyine yerleştirilen mikroskobik elektrotlarla kimyasal reaksiyonları başlatıyor. Çip üzerindeki 64 ayrı sentez noktasının her biri, merkezde bulunan DNA iplikçiklerini çevreleyen iki eş merkezli halka elektrotla donatıldı. Nükleotit ekleme sürecinde deproteksiyon için gereken düşük pH’lı asidik ortam, çip tarafından hassas elektrik akımlarıyla kontrol ediliyor. İç halkaya akım verildiğinde proton üretilerek ilgili bölgenin pH değeri düşürülüyor ve enzimatik büyüme başlatılıyor. Aynı anda dış halkadan ters yönde çekilen akım ise çevreye yayılan protonları tüketerek asidik reaksiyonun komşu DNA zincirlerine ulaşmasını engelliyor. Kullanılan silikon çip, Prof. Ham’ın laboratuvarında daha önce nöronal ağlardan hücre içi kayıt almak amacıyla tasarlanmıştı. Nöron zarını geçirgen hale getirmek için kullanılan hassas akım kontrolü, elektrot mimarisinin yeniden düzenlenmesiyle moleküler ölçekte pH kontrolüne uyarlandı.

169 BAYTLIK METİN DNA’YA KODLANDI

Araştırma ekibi, teknolojinin teknik sınırlarını test etmek amacıyla 64 DNA dizisini kullanarak 169 baytlık dijital bir metni DNA moleküllerine kodladı. Deney, DNA tabanlı veri depolama teknolojisi açısından bir konsept kanıtı ortaya koydu. Gelecekte veri depolama için ihtiyaç duyulabilecek katrilyonlarca DNA zincirinin üretimi dikkate alındığında, solvent tabanlı kimyasalların çevresel etkileri önemli bir risk oluşturuyor. Pohang Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Öğretim Üyesi Dr. Woo-Bin Jung, su bazlı enzimatik sentezin büyük ölçekli üretim için sürdürülebilir ve çevreci bir yöntem sunduğunu belirtti.

SINIR ÇİPTE DEĞİL KİMYADA

Araştırmacılar, çip üzerindeki sentez noktalarını daha yakın aralıklarla yerleştirerek kapasiteyi artırmayı denediklerinde elektronik değil, kimyasal bir sınırlamayla karşılaştı. Deneyler, silikon çipin elektrikle kontrol edilen pH bölgelerini sınırlandırabildiğini ancak asidik ortamda oluşan ara moleküllerin yan bölgelere taşındığını gösterdi. Çalışmanın başyazarlarından Dr. Han Sae Jung, “Silikon çip ondan istediğimiz görevi eksiksiz yaptı. Sınırlandırma hatası çipten değil, deproteksiyon kimyasından kaynaklanıyordu. Sektör için bir sonraki stratejik adım, çipin hızına ve hassasiyetine ayak uydurabilecek daha doğrudan asit odaklı bir deproteksiyon kimyası geliştirmek olacaktır” dedi. Araştırmacılar, bir sonraki aşamada çipin kapasitesini artırabilecek ve sentez noktaları arasındaki kimyasal etkileşimi azaltabilecek yeni bir deproteksiyon yöntemi geliştirmeyi hedefliyor.