一块半导体芯片利用水基酶促过程并行生成了64条DNA序列。

哈佛大学的研究人员开发出一种半导体芯片，能够利用电流和水基酶促过程并行合成64条不同的DNA序列，有望成为传统DNA制造方法之外的一种替代方案。

该芯片利用局部电控制，在芯片表面选定位置触发DNA合成。团队表示，这种方法避开了当今合成DNA广泛使用的、耗费大量溶剂的亚磷酰胺化学法。

合成DNA是现代生物技术中的关键工具，支撑着从诊断、基因组工程到癌症研究等一系列应用。虽然酶法DNA合成已作为一种更环保的替代方法出现，但一直难以达到传统方法的规模。

据研究人员称，酶法迄今为止只能同时产生大约十几条DNA序列。在这项新研究中，芯片并行生成了64条不同的DNA序列，每条序列的长度可达39个核苷酸。

电流引导DNA合成

DNA合成每次增加一个核苷酸。每添加一个核苷酸后，必须除去一个临时的封闭基团，才能连接下一个核苷酸。

为了控制这一过程，哈佛团队设计了一款带有64个合成位点的芯片。每个位点包含两个同心环形电极，环绕着锚定在中心的DNA链。

当激活时，内电极产生质子，降低选定DNA链周围的pH值。这种酸性环境促使DNA酶促增长。与此同时，外电极消耗扩散的质子，防止低pH区域蔓延到相邻位点。

通过在每一合成循环中，在选定位置重复这一过程，芯片能够同时构建许多不同的DNA序列。

这项研究建立在一个最初为神经科学应用开发的半导体平台之上。

“这款芯片的一个标志性特征是精密电流注入，我们曾利用它使神经元细胞膜通透，以实现细胞内接入，”哈佛大学约翰·A.与伊丽莎白·S.阿姆斯特朗讲席教授、工程与应用科学学院的咸燉憙（Donhee Ham）说。

“在某个时刻，我们想知道同样的电流控制能否从细胞转向分子——用能够局域化pH以实现DNA合成的环形电极对，取代原先面向神经元的电极。结果成功了。”

数据存储潜力

除生物应用外，研究人员还探索了这项技术能否支持基于DNA的数据存储。

利用这64条合成的DNA序列，团队编码了一条169字节的文本信息，展示了该平台将数字信息存储于DNA分子中的潜力。

研究人员认为，如果未来DNA生产规模急剧扩大，水基合成方法可能变得越发重要。

“DNA数据存储要求DNA合成在远超当今需求的规模上运行，”该研究的共同第一作者郑宇彬（Woo-Bin Jung）说。

“这就是酶法水相合成的意义所在。如果能并行合成远超64条的序列，就可能为大规模写入DNA提供一条环保途径。”

团队还尝试提高芯片上合成位点的密度。尽管这些实验失败了，但它们揭示出主要限制来自用于去除封闭基团的化学过程，而非芯片的电子架构。

“芯片完成了我们要求它做的事情：在选定位置局域化低pH环境，”研究的共同第一作者郑汉世（Han Sae Jung）说，“限制来自脱保护化学，而非硅本身。”

该研究发表在《自然·电子学》（Nature Electronics）期刊上。

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