لقد كانت رقائق السيليكون أساس الحوسبة الحديثة لعقود من الزمن. والآن يمنحهم الباحثون دورًا جديدًا تمامًا في مجال التكنولوجيا الحيوية. بالإضافة إلى معالجة المعلومات، يتم استخدام هذه الرقائق بشكل متزايد لدراسة الأنظمة الحية عن طريق تسجيل نشاط الخلايا العصبية، وقراءة الحمض النووي، وحتى الآن إنشاء الحمض النووي.
وفي دراسة جديدة نشرت في إلكترونيات الطبيعةكشف فريق بحثي بقيادة جامعة هارفارد عن شريحة سيليكون قادرة على تصنيع 64 تسلسلاً مختلفًا للحمض النووي في نفس الوقت. بدلاً من الاعتماد على العملية الكيميائية المكثفة للمذيبات المستخدمة عادة لتصنيع الحمض النووي الاصطناعي، يستخدم الجهاز نهجًا إنزيميًا يعتمد على الماء. تؤدي التيارات الكهربائية التي يتم التحكم فيها بعناية إلى تفاعلات بناء الحمض النووي في مواقع محددة عبر الشريحة.
قاد البحث دونهي هام، أستاذ جون أ. وإليزابيث س. أرمسترونج للهندسة والعلوم التطبيقية في كلية جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS).
طريقة أنظف لتصنيع الحمض النووي
يعد الحمض النووي الاصطناعي ضروريًا للعديد من مجالات العلوم والطب الحديث، بما في ذلك التشخيص، وهندسة الجينوم، وأبحاث السرطان. اليوم، يتم إنتاج معظم الحمض النووي المخصص باستخدام كيمياء الفوسفورميديت، وهي طريقة راسخة يمكنها تصنيع الملايين من تسلسلات الحمض النووي بالتوازي. ومع ذلك، تعتمد هذه العملية على المذيبات العضوية الخطرة وتتطلب عادة مرافق مركزية متخصصة.
لقد كان العلماء يستكشفون تخليق الحمض النووي الأنزيمي كبديل أكثر لطفًا لأنه يستخدم الماء ويشبه إلى حد كبير الطريقة التي تبني بها الخلايا الحية الحمض النووي بشكل طبيعي. يمكن لهذا النهج في نهاية المطاف أن يتيح أنظمة تصنيع الحمض النووي أصغر حجمًا وأكثر أمانًا ومتاحة على نطاق أوسع.
ومع ذلك، حتى الآن، ظلت الطرق الأنزيمية متخلفة كثيرًا عن التصنيع التقليدي من حيث عدد تسلسلات الحمض النووي التي يمكنها إنتاجها في وقت واحد. وكانت المظاهرات السابقة مقتصرة على نحو اثنتي عشرة سلسلة في وقت واحد. نجحت شريحة فريق جامعة هارفارد في تصنيع 64 تسلسلًا مختلفًا من الحمض النووي بالتوازي، يصل طول كل منها إلى 39 نيوكليوتيدات، مما يشكل علامة فارقة جديدة في هذه التكنولوجيا.
كيف تكتب شريحة السيليكون الحمض النووي
يتم تجميع الحمض النووي نيوكليوتيدًا واحدًا في كل مرة. بعد إضافة كل نيوكليوتيد، تمنع مجموعة الحجب المؤقتة النمو الإضافي. قبل أن يتم ربط النوكليوتيدات التالية، يجب إزالة مجموعة الحجب هذه من خلال عملية تسمى إزالة الحماية، والتي يتم تحفيزها بسبب الظروف الحمضية، أو انخفاض الرقم الهيدروجيني، في الماء.
يتطلب إنتاج العديد من تسلسلات الحمض النووي المختلفة في نفس الوقت خفض الرقم الهيدروجيني فقط في مواقع محددة خلال كل دورة تخليق. تقوم شريحة هارفارد بذلك باستخدام تيارات كهربائية صغيرة.
يحتوي سطحه على 64 موقعًا تركيبيًا. يتميز كل موقع بوجود قطبين حلقيين متحدين المركز يحيطان بجزيئات الحمض النووي المثبتة في المركز. عندما يتم تنشيط موقع معين، يقوم القطب الكهربائي الداخلي بتوليد بروتونات تعمل على خفض الرقم الهيدروجيني المحلي وتسمح لشريط الحمض النووي بالنمو. وفي الوقت نفسه، يزيل القطب الخارجي البروتونات التي تنتشر إلى الخارج، مما يبقي المنطقة الحمضية محصورة في ذلك الموقع الفردي.
ومن خلال تكرار هذه العملية خلال دورات متعددة، تقوم الشريحة بشكل مستقل ببناء 64 تسلسلًا فريدًا للحمض النووي عبر سطحها.
من أبحاث الدماغ إلى تركيب الحمض النووي
ومن المثير للاهتمام أن الشريحة لم تكن مصممة في الأصل لتصنيع الحمض النووي.
قام جيفري أبوت، وهو طالب دكتوراه سابق في مختبر هام، بتطوير إلكترونيات السيليكون لتسجيل النشاط الكهربائي داخل مجموعات كبيرة من الخلايا العصبية. وبعد إعادة تصميم الأقطاب الكهربائية السطحية، اكتشف الباحثون أن نفس التكنولوجيا الأساسية يمكنها التحكم بدقة في الظروف الكيميائية اللازمة لتخليق الحمض النووي.
وقال هام: “كانت السمة المميزة للرقاقة هي الحقن الدقيق للتيار، والذي استخدمناه لنفاذية أغشية الخلايا العصبية للوصول إلى داخل الخلايا”. “في مرحلة معينة، تساءلنا عما إذا كان من الممكن إعادة توجيه نفس التحكم الحالي من الخلايا إلى الجزيئات، واستبدال الأقطاب الكهربائية المواجهة للخلايا العصبية بأزواج الأقطاب الحلقية التي يمكنها تحديد الرقم الهيدروجيني لتخليق الحمض النووي. لقد نجح الأمر.”
يمكن أن يكون تخزين بيانات الحمض النووي تطبيقًا مستقبليًا
بالإضافة إلى التطبيقات المحتملة في البيولوجيا التركيبية والتشخيص الطبي، أظهر الفريق إمكانية أخرى باستخدام 64 تسلسلًا من الحمض النووي المُصنَّع لتشفير نص بحجم 169 بايت.
على الرغم من أن تخزين البيانات المستندة إلى الحمض النووي يظل هدفًا طويل المدى لأنه يتطلب تصنيع الحمض النووي على نطاق هائل، إلا أن الباحثين يعتقدون أن التوليف الأنزيمي المعتمد على الماء يمكن أن يصبح جذابًا بشكل متزايد مع نمو أحجام الإنتاج. يمكن أن يؤدي تقليل استخدام المذيبات إلى تقليل التأثير البيئي لتصنيع الحمض النووي على نطاق واسع بشكل كبير.
قال وو-بين جونغ، المؤلف الأول المشارك للدراسة والآن أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية في جامعة بوهانغ للعلوم والتكنولوجيا (POSTECH)، الذي نفذ العمل كباحث ما بعد الدكتوراه في مختبر هام: “إن تخزين بيانات الحمض النووي يتطلب من تخليق الحمض النووي أن يعمل على نطاق يتجاوز بكثير احتياجات اليوم”. “لهذا السبب يمكن أن يكون التوليف الأنزيمي في الماء مهمًا. إذا كان من الممكن تصنيع أكثر من 64 تسلسلًا بالتوازي، فقد يوفر ذلك طريقًا صديقًا للبيئة نحو كتابة الحمض النووي على نطاق واسع جدًا.”
الكيمياء هي العقبة التالية
أراد الباحثون أيضًا معرفة مدى إمكانية توسيع نطاق الشريحة. لقد قاموا بتصنيع رقائق مع وضع مواقع التوليف بالقرب من بعضها البعض، على أمل زيادة عدد تسلسلات الحمض النووي المنتجة في وقت واحد.
لم تنجح التجربة، لكنها كشفت عن فكرة مهمة. قامت الشريحة نفسها بدقة بحصر الرقم الهيدروجيني المنخفض في المواقع المقصودة. القيد الحقيقي جاء من الكيمياء المستخدمة أثناء إزالة الحماية.
بدلاً من إزالة مجموعات الحجب مباشرة، يولد الرقم الهيدروجيني المنخفض جزيئات وسيطة تؤدي خطوة إزالة الحماية. يمكن لهذه الجزيئات الوسيطة أن تنجرف إلى مواقع التصنيع المجاورة، مما يقلل من الفصل بين التفاعلات على الرغم من أن الرقم الهيدروجيني يظل خاضعًا للتحكم بإحكام.
وقال هان ساي جونغ، المؤلف الأول المشارك للدراسة وطالب دراسات عليا سابق وباحث ما بعد الدكتوراه الحالي في جامعة هارفارد: “لقد قامت الرقاقة بما طلبنا منها القيام به: حيث حددت الرقم الهيدروجيني المنخفض في مواقع مختارة”. “جاء القيد من كيمياء إزالة الحماية، وليس من السيليكون. وهذا يترك خطوة تالية واضحة للمجال – تطوير كيمياء إزالة الحماية المباشرة التي تعتمد على الحمض والتي يمكنها مواكبة الشريحة.”
التعاون ودعم البحوث
كان المشروع عبارة عن تعاون بين الباحثين في جامعة هارفارد، ومعهد برود، وDNA Script، ولاحقًا POSTECH. قدم مكتب تطوير التكنولوجيا بجامعة هارفارد الملكية الفكرية المتعلقة بالمنصة. تحمل الدراسة عنوان “توليف الحمض النووي الأنزيمي الموازي باستخدام شريحة أشباه الموصلات”.
تم دعم البحث جزئيًا من قبل مكتب مدير الاستخبارات الوطنية (ODNI)، ونشاط مشاريع الأبحاث الاستخباراتية المتقدمة (IARPA)، عبر 2019-19081900002، وHorizon Europe، ومعرف مشروع Hyperion: 101115253، ومركز تمويل أبحاث واحتضان سامسونج للتكنولوجيا المستقبلية لشركة Samsung Electronics تحت رقم المشروع SRFC-IT2402-09.
اكتشاف المزيد من استشارات أونلاين
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
