哈佛大學的研究人員已開發出一款半導體晶片，能夠利用電流和水基酶促進過程，並行合成 64 種不同的 DNA 序列，這可能為傳統的 DNA 製造方法提供了替代方案。該晶片利用局部電控技術來觸發其表面選定位置的 DNA 合成。研究團隊表示，這種方法避免了目前廣泛使用的溶劑重的磷酸胺化學法來生產合成 DNA。合成 DNA 是現代生物技術中的一個關鍵工具，支持從診斷、基因組工程到癌症研究等各種應用。
雖然酶促 DNA 合成已成為一種更環保的替代方案，但其規模仍未能與傳統方法相匹敵。根據研究人員的説法，酶促方法迄今為止僅能同時合成約十幾種 DNA 序列。
哈佛大學新開發的晶片能夠平行合成多種 DNA 序列
在這項新研究中，該晶片能夠平行生成 64 種不同的 DNA 序列，每個序列的長度可達 39 個核苷酸。電流引導 DNA 合成，這一過程是逐個核苷酸添加的。在每次添加之後，必須移除一個暫時的阻擋基團，才能附加下一個核苷酸。為了控制這一過程，哈佛團隊設計了一款擁有 64 個合成位點的晶片。每個位點包含兩個同心圓電極，圍繞著固定在中心的 DNA 鈎。當激活時，內部電極會產生質子，降低選定 DNA 鈎周圍的 pH 值，形成酸性環境以促進酶促 DNA 生長。
同時，外部電極則消耗擴散的質子，防止低 pH 區域擴散至相鄰位置。通過在每個合成週期中重複這一過程，該晶片可以同時構建多種不同的 DNA 序列。
這項工作建立在最初為神經科學應用開發的半導體平台上。「這款晶片的一個決定性特徵是精確的電流注入，我們用它來使神經元膜通透，以便進行細胞內接入。」哈佛大學工程與應用科學約翰·A·阿姆斯特朗教授唐熙·哈姆表示。「在某個時刻，我們想知道這種電流控制是否可以從細胞轉向分子，將面向神經元的電極替換為可以為 DNA 合成本地化 pH 的環形電極對。這樣做成功了。」
除了生物應用外，研究人員還探索了該技術是否可以支持基於 DNA 的數據存儲。利用這 64 種合成的 DNA 序列，團隊編碼了一條 169 字節的文本消息，展示了該平台在 DNA 分子中存儲數字信息的潛力。研究人員認為，如果未來 DNA 生產規模大幅提升，水基合成方法可能變得越來越重要。「DNA 數據存儲要求 DNA 合成在規模上遠超過當前的需求。」該研究的共同第一作者鄭宇彬表示，「這就是為什麼水中的酶促合成是重要的。
如果可以平行合成的序列數量大幅超過 64，則可能為在非常大規模上寫入 DNA 提供環保的途徑。」
團隊還試圖增加晶片上的合成位點密度。雖然這些實驗未能成功，但揭示了主要的限制來自於用於移除阻擋基團的化學方法，而非晶片的電子架構。「這款晶片能夠完成我們所要求的任務：在選定的位點本地化低 pH。」該研究的共同第一作者韓世仲表示。「限制來自於去保護化學，而不是矽。」這項研究發表於《自然電子學》期刊。
