Μια τεχνολογία που μέχρι σήμερα ταυτιζόταν κυρίως με τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές αποκτά πλέον ρόλο και στη δημιουργία του ίδιου του γενετικού υλικού. Ερευνητές μετέτρεψαν ένα τσιπ πυριτίου σε μικροσκοπική πλατφόρμα παραγωγής DNA, η οποία αξιοποιεί ηλεκτρικά ρεύματα και ένα υδατικό περιβάλλον αντί για μεγάλες ποσότητες επιβλαβών χημικών διαλυτών. Η προσέγγιση δημιουργεί προοπτικές για μικρότερες, ασφαλέστερες και περισσότερο βιώσιμες συσκευές σύνθεσης DNA, με πιθανές χρήσεις από την ιατρική διάγνωση έως την αποθήκευση ψηφιακών πληροφοριών.
Τα τσιπ πυριτίου βρίσκονται στην καρδιά της υπολογιστικής τεχνολογίας για περισσότερο από μισό αιώνα. Τα τελευταία χρόνια, όμως, η χρήση τους επεκτείνεται ταχύτατα στη βιολογία, προσφέροντας νέους τρόπους για την καταγραφή της δραστηριότητας νευρώνων, την ανάγνωση γενετικού υλικού και πλέον την ελεγχόμενη κατασκευή αλληλουχιών DNA.
Η νέα διάταξη μπορεί να συνθέτει ταυτόχρονα 64 διαφορετικές αλληλουχίες DNA, καθεμία μήκους έως 39 νουκλεοτιδίων. Η επίδοση αποτελεί σημαντικό βήμα για την παράλληλη ενζυμική σύνθεση, καθώς τα προηγούμενα συστήματα της ίδιας κατηγορίας περιορίζονταν περίπου σε δώδεκα διαφορετικές αλληλουχίες.
Η βασική καινοτομία βρίσκεται στον τρόπο με τον οποίο το τσιπ ελέγχει τις χημικές αντιδράσεις. Αντί για τον συμβατικό εργαστηριακό εξοπλισμό, χρησιμοποιούνται εξαιρετικά ακριβή ηλεκτρικά ρεύματα, τα οποία ενεργοποιούν τη σύνθεση μόνο στα επιλεγμένα σημεία της επιφάνειας.
Μια καθαρότερη μέθοδος παραγωγής DNA
Το συνθετικό DNA αποτελεί απαραίτητο εργαλείο σε πολλούς κλάδους της επιστήμης και της ιατρικής. Χρησιμοποιείται στις διαγνωστικές εξετάσεις, στη γονιδιακή μηχανική, στην έρευνα για τον καρκίνο, στην ανάπτυξη νέων φαρμάκων και στη συνθετική βιολογία.
Η κυρίαρχη μέθοδος παραγωγής του βασίζεται στη λεγόμενη φωσφοραμιδιτική χημεία. Πρόκειται για μια ώριμη και αποδοτική τεχνική, η οποία έχει τη δυνατότητα να δημιουργεί εκατομμύρια αλληλουχίες παράλληλα. Παρά την αποτελεσματικότητά της, όμως, απαιτεί μεγάλες ποσότητες επικίνδυνων οργανικών διαλυτών και εφαρμόζεται συνήθως σε μεγάλες, κεντρικές εγκαταστάσεις με σύνθετο εξοπλισμό.
Αντίθετα, η ενζυμική σύνθεση DNA πραγματοποιείται μέσα σε νερό και προσεγγίζει περισσότερο τη φυσική διαδικασία με την οποία τα ζωντανά κύτταρα αντιγράφουν και κατασκευάζουν το γενετικό τους υλικό. Η μέθοδος μπορεί να περιορίσει το περιβαλλοντικό αποτύπωμα και να οδηγήσει σε πιο συμπαγείς, ασφαλείς και εύχρηστες συσκευές.
Μέχρι σήμερα, το βασικό της μειονέκτημα ήταν η περιορισμένη κλίμακα. Η ταυτόχρονη παραγωγή μεγάλου αριθμού διαφορετικών αλληλουχιών παρέμενε ιδιαίτερα δύσκολη, με αποτέλεσμα η ενζυμική τεχνολογία να υστερεί έναντι των συμβατικών χημικών μεθόδων. Το νέο τσιπ μειώνει σημαντικά αυτή την απόσταση, ανεβάζοντας στις 64 τις αλληλουχίες που μπορούν να δημιουργηθούν παράλληλα.
Ο ρόλος του ηλεκτρισμού στη σύνθεση
Η δημιουργία μιας αλληλουχίας DNA γίνεται σταδιακά, με την προσθήκη ενός νουκλεοτιδίου κάθε φορά. Μετά την τοποθέτηση κάθε νέου δομικού στοιχείου, μια προσωρινή προστατευτική χημική ομάδα εμποδίζει την αλυσίδα να συνεχίσει να αναπτύσσεται ανεξέλεγκτα.
Για να προστεθεί το επόμενο νουκλεοτίδιο, πρέπει πρώτα να αφαιρεθεί αυτή η ομάδα. Η συγκεκριμένη διαδικασία ονομάζεται αποπροστασία και σε υδατικό περιβάλλον μπορεί να επιτευχθεί μέσω της προσωρινής δημιουργίας μιας όξινης περιοχής με χαμηλό pH.
Η μεγάλη τεχνική δυσκολία είναι να δημιουργείται το όξινο περιβάλλον μόνο στο κατάλληλο σημείο και μόνο τη σωστή στιγμή. Σε κάθε κύκλο σύνθεσης, δεν πρέπει να επηρεάζονται όλες οι αναπτυσσόμενες αλυσίδες, αλλά αποκλειστικά εκείνες που είναι έτοιμες να δεχθούν το επόμενο νουκλεοτίδιο.
Το τσιπ αντιμετωπίζει το πρόβλημα με τη βοήθεια 64 ανεξάρτητων θέσεων σύνθεσης. Κάθε θέση περιβάλλεται από δύο ομόκεντρα κυκλικά ηλεκτρόδια, ενώ στο κέντρο τους είναι προσδεδεμένη η αλυσίδα DNA που αναπτύσσεται.
Όταν πρέπει να προστεθεί νέο νουκλεοτίδιο σε μια συγκεκριμένη θέση, διοχετεύεται ηλεκτρικό ρεύμα στο εσωτερικό ηλεκτρόδιο. Η ηλεκτρική διέγερση παράγει πρωτόνια, προκαλώντας τοπική πτώση του pH γύρω από το DNA. Με αυτόν τον τρόπο αφαιρείται η προστατευτική ομάδα και η αλυσίδα μπορεί να συνεχίσει να αναπτύσσεται.
Την ίδια στιγμή, το εξωτερικό ηλεκτρόδιο λειτουργεί ως φραγμός. Απορροφά τα πρωτόνια που επιχειρούν να διαχυθούν προς τις γειτονικές θέσεις και περιορίζει την όξινη περιοχή στα επιθυμητά όρια. Με την επιλεκτική ενεργοποίηση διαφορετικών ηλεκτροδίων σε κάθε κύκλο, το τσιπ σχηματίζει διαδοχικά μοτίβα χαμηλού pH και τελικά παράγει 64 ανεξάρτητες αλληλουχίες.
Από τους νευρώνες στα μόρια DNA
Η πλατφόρμα δεν είχε αρχικά σχεδιαστεί για τη σύνθεση γενετικού υλικού. Η πρώτη της χρήση αφορούσε την ταυτόχρονη καταγραφή της ηλεκτρικής δραστηριότητας μεγάλων πληθυσμών νευρώνων.
Οι αρχικές εκδόσεις της τεχνολογίας μπορούσαν να παρακολουθούν χιλιάδες νευρικά κύτταρα και να χαρτογραφούν εκατοντάδες συνάψεις. Σε μεταγενέστερα στάδια, η ίδια προσέγγιση επέτρεψε την καταγραφή δεκάδων χιλιάδων νευρωνικών συνδέσεων, χάρη στην εξαιρετικά ακριβή έγχυση ηλεκτρικού ρεύματος.
Η δυνατότητα αυτή αποτέλεσε τη βάση για τη νέα εφαρμογή. Με την τροποποίηση των ηλεκτροδίων, οι ερευνητές μετέφεραν την ακρίβεια ελέγχου από το επίπεδο των κυττάρων στο επίπεδο των μορίων. Τα ηλεκτρόδια που προηγουμένως χρησιμοποιούνταν για πρόσβαση στο εσωτερικό των νευρώνων αντικαταστάθηκαν από κυκλικά ζεύγη, ικανά να δημιουργούν μικροσκοπικές περιοχές χαμηλού pH.
Η προσαρμογή απέδειξε ότι μια ηλεκτρονική πλατφόρμα μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί για έναν εντελώς διαφορετικό επιστημονικό σκοπό, συνδέοντας την ηλεκτρονική μηχανική με τη μοριακή βιολογία και τη χημεία.
Προοπτικές για αποθήκευση δεδομένων σε DNA
Πέρα από τις εφαρμογές στη βιοτεχνολογία και στις διαγνωστικές εξετάσεις, η νέα τεχνολογία δοκιμάστηκε και σε έναν περισσότερο φουτουριστικό τομέα: την αποθήκευση ψηφιακών δεδομένων σε μόρια DNA.
Οι 64 αλληλουχίες που δημιουργήθηκαν χρησιμοποιήθηκαν για την κωδικοποίηση ενός κειμένου μεγέθους 169 byte. Αν και πρόκειται για πολύ μικρή ποσότητα δεδομένων, το πείραμα επιβεβαιώνει ότι οι παραγόμενες αλληλουχίες μπορούν να λειτουργήσουν ως φυσικό μέσο ψηφιακής αποθήκευσης.
Το DNA θεωρείται ιδιαίτερα ελκυστικό για μακροχρόνια αποθήκευση, επειδή μπορεί να περιέχει τεράστιες ποσότητες πληροφορίας σε εξαιρετικά μικρό όγκο και να διατηρείται για μεγάλα χρονικά διαστήματα υπό κατάλληλες συνθήκες.
Ωστόσο, η αξιοποίηση της τεχνολογίας σε εμπορική κλίμακα προϋποθέτει την παραγωγή τεράστιων ποσοτήτων συνθετικού DNA. Αυτό καθιστά κρίσιμη την ανάπτυξη μιας διαδικασίας που δεν θα απαιτεί αντίστοιχα τεράστιους όγκους οργανικών διαλυτών και δεν θα δημιουργεί δυσανάλογο περιβαλλοντικό κόστος.
Η σύνθεση σε υδατικό περιβάλλον, με τη βοήθεια ενζύμων και ηλεκτρικού ελέγχου, θα μπορούσε να προσφέρει μια πιο βιώσιμη λύση. Εφόσον στο μέλλον αυξηθεί θεαματικά ο αριθμός των παράλληλων θέσεων σύνθεσης, τέτοια τσιπ θα μπορούσαν να μετατραπούν σε πλατφόρμες μαζικής παραγωγής DNA για την αποθήκευση δεδομένων.
Το όριο δεν βρίσκεται στο πυρίτιο
Μετά την επιτυχία των 64 αλληλουχιών, οι ερευνητές επιχείρησαν να αυξήσουν περαιτέρω την πυκνότητα των θέσεων πάνω στην ίδια επιφάνεια. Δημιούργησαν μια νέα διάταξη με μικρότερες αποστάσεις μεταξύ των ηλεκτροδίων, περιμένοντας ότι θα μπορούσαν να παράγουν ακόμη περισσότερες αλληλουχίες ταυτόχρονα.
Το πείραμα, ωστόσο, δεν είχε την επιθυμητή έκβαση. Αρχικά, η αποτυχία αποδόθηκε σε πιθανό περιορισμό του τσιπ ή σε αδυναμία του ηλεκτρικού συστήματος να απομονώσει τις περιοχές χαμηλού pH.
Οι μετρήσεις έδειξαν το αντίθετο. Τα ηλεκτρονικά λειτουργούσαν με ακρίβεια και περιόριζαν το όξινο περιβάλλον αποκλειστικά στα επιλεγμένα σημεία. Το πρόβλημα βρισκόταν στην ίδια τη χημεία της αποπροστασίας.
Το χαμηλό pH δεν αφαιρεί απευθείας την προστατευτική ομάδα από την αναπτυσσόμενη αλυσίδα. Αντίθετα, προκαλεί τη δημιουργία ενδιάμεσων μορίων, τα οποία στη συνέχεια πραγματοποιούν την αντίδραση. Αυτά τα μόρια μπορούν να μετακινηθούν έξω από την περιοχή χαμηλού pH και να φτάσουν σε γειτονικές θέσεις, προκαλώντας ανεπιθύμητη αποπροστασία και σφάλματα στις αλληλουχίες.
Η διαπίστωση αυτή αλλάζει τον προσανατολισμό της επόμενης φάσης της έρευνας. Η τεχνολογία του πυριτίου διαθέτει ήδη την απαιτούμενη χωρική ακρίβεια, όμως η χημική αντίδραση δεν μπορεί ακόμη να ακολουθήσει τις εξαιρετικά μικρές αποστάσεις που επιτρέπει το τσιπ.
Το επόμενο βήμα είναι, επομένως, η ανάπτυξη μιας πιο άμεσης και ελεγχόμενης μεθόδου αποπροστασίας, χωρίς ενδιάμεσα μόρια που διαχέονται προς τα γειτονικά σημεία. Μια τέτοια βελτίωση θα μπορούσε να αυξήσει δραστικά την πυκνότητα των θέσεων και να επιτρέψει την ταυτόχρονη σύνθεση εκατοντάδων, χιλιάδων ή ακόμη περισσότερων διαφορετικών αλληλουχιών.
Η πρόοδος αυτή δείχνει ότι τα τσιπ πυριτίου μπορούν να εξελιχθούν από εργαλεία επεξεργασίας ψηφιακών πληροφοριών σε πλατφόρμες κατασκευής βιολογικών μορίων. Παρά τα τεχνικά εμπόδια, η σύνδεση ηλεκτρονικής, ενζυμικής χημείας και DNA δημιουργεί τις προϋποθέσεις για μια νέα γενιά βιοτεχνολογικών συσκευών με μικρότερο κόστος, περιορισμένο περιβαλλοντικό αποτύπωμα και δυνατότητα λειτουργίας έξω από τις μεγάλες κεντρικές εγκαταστάσεις.
Διαβάστε ακόμη
Η ήμερη βελανιδιά: Το δένδρο που χρειάζονται οι πόλεις μας
Για όλες τις υπόλοιπες ειδήσεις της επικαιρότητας μπορείτε να επισκεφθείτε το Πρώτο ΘΕΜΑ