Os chips de silício têm sido a base da computação moderna há décadas. Agora, os investigadores estão a atribuir-lhes um papel totalmente novo na biotecnologia. Além do processamento de dados, esses chips estão sendo cada vez mais usados para estudar sistemas vivos, registrando a atividade dos neurônios, lendo DNA e agora até produzindo DNA.
Um novo estudo publicado em Eletrônica da NaturezaUma equipe de pesquisa liderada por Harvard revelou um chip de silício capaz de sintetizar 64 sequências diferentes de DNA simultaneamente. Em vez de depender do processo químico intensivo em solventes normalmente usado para produzir DNA sintético, o dispositivo utiliza um método enzimático à base de água. Correntes elétricas cuidadosamente controladas desencadeiam reações de construção de DNA em locais específicos do chip.
O estudo de John A. A Escola Paulson de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) foi liderado por Donnie Hamm, John A. e Elizabeth S. Armstrong, professor de engenharia e ciências aplicadas.
Uma maneira limpa de produzir DNA
O DNA sintético é essencial para muitas áreas da ciência e da medicina modernas, incluindo diagnóstico, engenharia do genoma e pesquisa do câncer. Hoje, a maior parte do DNA personalizado é produzida usando a química da fosforamidita, um método bem estabelecido que pode gerar milhões de sequências de DNA em paralelo. Contudo, esse processo depende de solventes orgânicos perigosos e normalmente requer instalações de concentração especiais.
Os cientistas estão explorando a síntese enzimática de DNA como uma alternativa mais suave porque utiliza água e se assemelha mais à maneira como as células vivas produzem naturalmente o DNA. O método pode eventualmente permitir sistemas de síntese de DNA menores, mais seguros e mais amplamente disponíveis.
Até agora, no entanto, os métodos enzimáticos ficaram atrás da produção convencional em termos do número de sequências de DNA que podem produzir simultaneamente. As demonstrações anteriores foram limitadas a cerca de uma dúzia de sequências por vez. O chip da equipe de Harvard sintetizou com sucesso 64 sequências diferentes de DNA em paralelo, cada uma com 39 nucleotídeos de comprimento, estabelecendo um novo marco para a tecnologia.
Como o chip de silício escreve DNA
O DNA é montado um nucleotídeo de cada vez. Após a adição de cada nucleotídeo, um grupo bloqueador temporário impede o crescimento adicional. Antes que o próximo nucleotídeo possa ser anexado, esse grupo bloqueador deve ser removido por um processo chamado desproteção, que é desencadeado por condições ácidas ou baixo pH da água.
Para produzir muitas sequências de DNA diferentes ao mesmo tempo, é necessário diminuir o pH apenas em locais selecionados durante cada ciclo de síntese. O chip Harvard consegue isso usando pequenas correntes elétricas.
Possui 64 locais de síntese em sua superfície. Cada local possui dois eletrodos de anel concêntrico circundando a molécula de DNA ancorada no centro. Quando um local específico é ativado, o eletrodo interno gera prótons que diminuem o pH local e permitem o crescimento da fita de DNA. Ao mesmo tempo, o eletrodo externo remove prótons que se difundem para fora, confinando a região ácida a esse único local.
Ao repetir este processo através de vários ciclos, o chip gera independentemente 64 sequências únicas de DNA em toda a sua superfície.
Da pesquisa cerebral à síntese de DNA
Curiosamente, o chip não foi originalmente concebido para produzir DNA.
Jeffrey Abbott, um ex-aluno de doutorado no laboratório de Ham, desenvolveu inicialmente a eletrônica de silício para registrar a atividade elétrica em grandes populações de neurônios. Depois de redesenhar os eletrodos de superfície, os pesquisadores descobriram que a mesma tecnologia subjacente poderia controlar com precisão as condições químicas necessárias para a síntese de DNA.
“Uma característica definidora do chip foi a injeção precisa de corrente, que usamos para permear a membrana neuronal para acesso intracelular”, disse Hamm. “A certa altura, questionámo-nos se o mesmo controlo de corrente poderia ser redireccionado da célula para a molécula, substituindo os eléctrodos voltados para os neurónios por pares de eléctrodos em anel que pudessem localizar o pH para a síntese de ADN. Funcionou.”
O armazenamento de dados de DNA pode ser uma aplicação futura
Além das aplicações potenciais em biologia sintética e diagnóstico médico, a equipe demonstrou outra possibilidade ao usar 64 sequências de DNA sintetizadas para codificar um texto de 169 bytes.
Embora o armazenamento de dados baseados em ADN continue a ser um objectivo a longo prazo porque exigiria a produção de ADN em grande escala, os investigadores acreditam que a síntese enzimática à base de água pode tornar-se cada vez mais atractiva à medida que os volumes de produção aumentam. A redução do uso de solventes pode reduzir significativamente o impacto ambiental da produção de DNA em larga escala.
“O armazenamento de dados de DNA requer que a síntese de DNA funcione em uma escala muito maior do que a necessária hoje”, disse Woo-Bin Jung, coautor do estudo e agora professor assistente de engenharia química na Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTEC), que trabalhou como pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Ham. “A síntese enzimática em água é, portanto, importante. Se mais de 64 sequências puderem ser sintetizadas em paralelo, isso poderá fornecer uma rota ecologicamente correta para escrever DNA em uma escala muito grande.”
Barreira após química
Os pesquisadores também queriam saber até que ponto o chip poderia ser dimensionado. Eles construíram o chip colocando os locais de síntese mais próximos, na esperança de aumentar o número de sequências de DNA produzidas simultaneamente.
A experiência não foi bem-sucedida, mas revelou uma visão importante. O próprio chip limita perfeitamente o pH baixo ao local pretendido. A verdadeira limitação vem da química utilizada durante a desproteção.
Em vez de remover diretamente os grupos bloqueadores, o pH baixo cria moléculas intermediárias que realizam a etapa de desproteção. Estas moléculas intermediárias podem fluir para locais de síntese vizinhos, reduzindo a separação entre as reações, mesmo que o pH seja rigorosamente controlado.
“O chip fez o que pedimos: localizou pH baixo em locais selecionados”, disse Han Sae Jung, coautor do estudo e ex-aluno de graduação e atual pesquisador de pós-doutorado em Harvard. “A limitação vem da química de desproteção, não do silício. Isso deixa um próximo passo claro para o campo – desenvolver uma química de desproteção mais direta, acionada por ácido, que possa acompanhar o ritmo do chip.”
Colaboração e apoio à investigação
O projeto foi uma colaboração entre pesquisadores de Harvard, do Broad Institute, do DNA Script e, posteriormente, da PostTech. O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard registrou propriedade intelectual relacionada à Plataforma. O título da pesquisa é “Síntese enzimática paralela de DNA usando um chip semicondutor”.
A pesquisa foi apoiada em parte pela National Intelligence (ODNI), Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), 2019-19081900002, Horizon Europe, Hyperion Project ID: 101115253 e Samsung Research Funding and Incubation Center do Samsung Research Funding and Incubation Center for Samsung N Intelligence. SRFC-IT2402-09.
