6 подписчиков
Программирование pH: новая технология может ускорить синтез ДНК
pH — концентрация протонов в водном растворе — показывает, насколько кислым является раствор. Он регулирует широкий спектр природных и искусственных химических процессов, включая синтез последовательностей ДНК для применения в биотехнологии.
Равномерное изменение pH во всем водном растворе является стандартной практикой в химии. Но что, если исследователи смогут создать массив локализованных областей pH, где протоны концентрируются более интенсивно, чем в других частях раствора? Это позволило бы им проводить химию с регулируемым pH в каждом из этих мест параллельно, значительно увеличивая экспериментальную производительность и ускоряя процессы синтеза ДНК, что находит применение в геномике, синтетической биологии, разработке вакцин и других методах лечения, а также в хранении данных. Но локализация pH является сложной задачей, поскольку протоны быстро распространяются в растворе на водной основе.
Исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона А. Полсона (SEAS) в сотрудничестве с исследователями из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда, а также биотехнологической компании DNA Script, разработали метод контроля pH на локальном уровне, создавая плотный массив микросайтов, где количество протонов в 100–1000 раз превышает среднее значение в остальной части раствора.
Это стало возможным благодаря множеству электрохимических ячеек микрометрового масштаба с уникальной геометрией, изготовленных на полупроводниковой интегральной схеме и управляемых ею. Полупроводниковый чип с 256 электрохимическими ячейками на поверхности напрямую связан с водным раствором молекул хинона. Каждая ячейка выглядит как «яблочко» с двумя концентрическими металлическими кольцами. Внутреннее кольцо подает ток в раствор для электрохимического образования протонов из молекул хинона. Эти локально генерируемые протоны пытаются распространиться, но нейтрализуются вблизи внешнего кольца, которое электрохимически производит основные молекулы из молекул хинона, вытягивая ток из раствора. Таким образом, локально генерируемые протоны задерживаются в центре «яблочка» и вокруг него, создавая кислую микросреду с пониженным pH. По сути, в каждой активированной электрохимической ячейке создали электрохимическую стенку, используя внешнее кольцо, через которую не может проникнуть кислота. Поскольку каждая ячейка контролируется независимо базовым полупроводниковым чипом, мы можем снизить pH в любом произвольном подмножестве из 256 электрохимических ячеек, которые мы выбираем для активации. Уникальная структура ячейки, которую мы разработали на полупроводниковом электронном чипе, позволяет осуществлять пространственно-селективное программирование pH.
Устройство может не только локализовать и точно настраивать pH, регулируя токи концентрических колец каждой электрохимической ячейки, но также может контролировать pH в реальном времени с помощью встроенных датчиков pH, распределенных по массиву электрохимических ячеек. Поэтому мы можем создать любую пространственную структуру целевых значений pH или топографию pH в водном растворе, используя обратную связь в реальном времени от карты пространственной структуры pH.
Манипуляции с пространственными структурами pH в водных средах могут привести к высокопроизводительному ферментативному синтезу ДНК с множеством биотехнологических приложений, от белковой инженерии и скрининга антител до хранения информации ДНК.
2 минуты
2 января 2024