Een internationaal onderzoeksteam heeft een siliciumchip ontwikkeld die DNA kan synthetiseren met behulp van elektriciteit en water, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een schonere en milieuvriendelijkere methode van DNA-productie en nieuwe toepassingen in de biotechnologie. Siliciumchips vormen al meer dan 50 jaar de kern van de computerrevolutie. Tegenwoordig ontdekken onderzoekers nieuwe manieren om ze in de biologie te gebruiken, zoals voor het monitoren van grote groepen neuronen, DNA-sequencing en zelfs de DNA-synthese zelf.
Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van de Harvard University heeft een siliciumchip ontwikkeld die tegelijkertijd 64 verschillende DNA-sequenties kan synthetiseren. De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Electronics, vervangt de conventionele synthetische DNA-productiechemie, waarvoor grote hoeveelheden organische oplosmiddelen nodig zijn, door een enzymatisch proces dat plaatsvindt in een waterige oplossing. In plaats van de DNA-synthese te controleren met conventionele laboratoriumapparatuur, gebruikt de nieuwe chip nauwkeurig gecontroleerde elektrische stromen om chemische reacties op specifieke punten op het oppervlak teweeg te brengen.
Synthetisch DNA is een belangrijk hulpmiddel op veel gebieden van de moderne wetenschap en geneeskunde, waaronder diagnostische tests, genetische manipulatie en kankeronderzoek. Tegenwoordig wordt het meeste synthetische DNA geproduceerd door middel van fosforamidietchemie. Het is een betrouwbare techniek die miljoenen sequenties tegelijk kan genereren, maar afhankelijk is van gevaarlijke organische oplosmiddelen en voornamelijk wordt uitgevoerd in grote, gecentraliseerde faciliteiten.
Enzymatische DNA-synthese is een zachter alternatief. Het vindt plaats in water en bootst beter de natuurlijke manier na waarop levende cellen hun DNA synthetiseren. In de toekomst zou deze aanpak kunnen leiden tot kleinere, veiligere en gemakkelijker te gebruiken DNA-syntheseapparaten. Tot nu toe bleven de enzymatische methoden echter aanzienlijk achter wat betreft het aantal verschillende sequenties dat tegelijkertijd kon worden geproduceerd. Eerdere systemen overschreden niet meer dan een dozijn reeksen.
Het onderzoeksteam verhoogde dit aantal tot 64 verschillende sequenties, elk met een lengte van maximaal 39 nucleotiden, en zette daarmee een nieuwe maatstaf voor parallelle enzymatische DNA-synthese. De technologie zou toepassingen kunnen vinden in de synthetische biologie en medische diagnostiek. De onderzoekers presenteerden ook een meer futuristische implementatie, waarbij ze de 64 DNA-sequenties gebruikten om een tekst van 169 bytes op te slaan. Dit experiment is een klein voorbeeld van het opslaan van digitale data in DNA-moleculen, een technologie die zich nog in een vroeg stadium van ontwikkeling bevindt.
Na het bereiken van de synthese van 64 sequenties, probeerden de onderzoekers de dichtheid van syntheseplaatsen op dezelfde chip verder te vergroten. Ze bouwden een nieuwe opstelling met kortere afstanden tussen de punten, maar het experiment leverde niet de verwachte resultaten op. Hoewel het aanvankelijk als een mislukking werd beschouwd, onthulde het een van de belangrijkste conclusies van het onderzoek. In eerste instantie hadden de wetenschappers moeite om het probleem te verklaren, omdat de elektronica van de chip met succes de gebieden met een lage pH-waarde beperkte tot alleen de geselecteerde plekken. Recentere experimenten hebben aangetoond dat het probleem niet door de chip werd veroorzaakt, maar door de chemie van de verwijdering van de bescherming zelf.
Een lage pH verwijdert de beschermende groep niet onmiddellijk uit de DNA-keten. In plaats daarvan creëert het tussenliggende moleculen die de reactie uitvoeren. Deze moleculen kunnen diffunderen naar aangrenzende syntheseplaatsen, ontsnappen aan de strikt gecontroleerde grenzen van een lage pH en veroorzaken ongewenste reacties. “De chip deed precies wat we hem vroegen: hij creëerde alleen op de geselecteerde plekken lokale gebieden met een lage pH. De beperking komt van de ontschermingschemie, niet van de siliciumtechnologie. Dit laat duidelijk zien wat de volgende stap is: de ontwikkeling van een directere chemische ontschermingsmethode die het potentieel van de chip volledig zal kunnen benutten”, legt Han Sae Jung, een van de auteurs van het onderzoek, uit.
