Los chips de silicio han sido la base de la informática moderna durante décadas. Ahora, los investigadores les están dando un papel completamente nuevo en la biotecnología. Además del procesamiento de datos, estos chips se utilizan cada vez más para estudiar sistemas vivos registrando la actividad de las neuronas, leyendo el ADN y ahora incluso produciendo ADN.
Un nuevo estudio publicado en Electrónica de la naturalezaUn equipo de investigación liderado por Harvard ha presentado un chip de silicio capaz de sintetizar 64 secuencias diferentes de ADN simultáneamente. En lugar de depender del proceso químico que requiere un uso intensivo de disolventes y que normalmente se utiliza para producir ADN sintético, el dispositivo utiliza un método enzimático a base de agua. Las corrientes eléctricas cuidadosamente controladas desencadenan reacciones de construcción de ADN en lugares específicos del chip.
El estudio realizado por John A. de la Escuela Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) fue dirigido por Donnie Hamm, John A. y Elizabeth S. Armstrong, profesora de ingeniería y ciencias aplicadas.
Una forma limpia de producir ADN
El ADN sintético es esencial para muchas áreas de la ciencia y la medicina modernas, incluidos el diagnóstico, la ingeniería genómica y la investigación del cáncer. Hoy en día, la mayor parte del ADN personalizado se produce mediante química de fosforamidita, un método bien establecido que puede generar millones de secuencias de ADN en paralelo. Sin embargo, ese proceso depende de disolventes orgánicos peligrosos y normalmente requiere instalaciones de concentración especiales.
Los científicos están explorando la síntesis enzimática de ADN como una alternativa más suave porque utiliza agua y se parece más a la forma en que las células vivas producen ADN de forma natural. El método puede eventualmente permitir sistemas de síntesis de ADN más pequeños, más seguros y más ampliamente disponibles.
Sin embargo, hasta ahora los métodos enzimáticos han ido a la zaga de la fabricación convencional en cuanto al número de secuencias de ADN que pueden producir simultáneamente. Las demostraciones anteriores se limitaban a una docena de secuencias a la vez. El chip del equipo de Harvard sintetizó con éxito 64 secuencias de ADN diferentes en paralelo, cada una de 39 nucleótidos de largo, estableciendo un nuevo hito para la tecnología.
Cómo el chip de silicio escribe el ADN
El ADN se ensambla un nucleótido a la vez. Después de agregar cada nucleótido, un grupo de bloqueo temporal evita un crecimiento adicional. Antes de que se pueda unir el siguiente nucleótido, ese grupo bloqueador debe eliminarse mediante un proceso llamado desprotección, que se desencadena por condiciones ácidas o un pH bajo en el agua.
Para producir muchas secuencias de ADN diferentes al mismo tiempo, es necesario reducir el pH sólo en sitios seleccionados durante cada ciclo de síntesis. El chip Harvard logra esto mediante el uso de pequeñas corrientes eléctricas.
Tiene 64 sitios de síntesis en su superficie. Cada sitio tiene dos electrodos anulares concéntricos que rodean la molécula de ADN anclada en el centro. Cuando se activa una ubicación específica, el electrodo interno genera protones que reducen el pH local y permiten que la cadena de ADN crezca. Al mismo tiempo, el electrodo exterior elimina los protones que se difunden hacia afuera, confinando la región ácida a ese único sitio.
Al repetir este proceso a través de múltiples ciclos, el chip genera de forma independiente 64 secuencias de ADN únicas en toda su superficie.
De la investigación del cerebro a la síntesis de ADN
Curiosamente, el chip no fue diseñado originalmente para producir ADN.
Jeffrey Abbott, ex estudiante de doctorado en el laboratorio de Ham, desarrolló inicialmente electrónica de silicio para registrar la actividad eléctrica en grandes poblaciones de neuronas. Después de rediseñar los electrodos de superficie, los investigadores descubrieron que la misma tecnología subyacente podría controlar con precisión las condiciones químicas necesarias para la síntesis de ADN.
“Una característica definitoria del chip fue la inyección precisa de corriente, que utilizamos para permear la membrana neuronal para el acceso intracelular”, dijo Hamm. “En cierto momento, nos preguntamos si el mismo control de corriente podría redirigirse de la célula a la molécula, reemplazando los electrodos orientados a las neuronas con pares de anillo-electrodo que pudieran localizar el pH para la síntesis de ADN. Funcionó”.
El almacenamiento de datos de ADN puede ser una aplicación futura
Más allá de las posibles aplicaciones en biología sintética y diagnóstico médico, el equipo demostró otra posibilidad mediante el uso de 64 secuencias de ADN sintetizadas para codificar un texto de 169 bytes.
Aunque el almacenamiento de datos basado en ADN sigue siendo un objetivo a largo plazo porque requeriría fabricar ADN a gran escala, los investigadores creen que la síntesis enzimática basada en agua puede volverse cada vez más atractiva a medida que aumentan los volúmenes de producción. Reducir el uso de disolventes puede reducir significativamente el impacto ambiental de la producción de ADN a gran escala.
“El almacenamiento de datos de ADN requiere que la síntesis de ADN funcione a una escala mucho mayor de la que se necesita hoy en día”, dijo Woo-Bin Jung, coprimer autor del estudio y ahora profesor asistente de ingeniería química en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTEC), que trabajó como investigador postdoctoral en el laboratorio de Ham. “Por lo tanto, la síntesis enzimática en agua es importante. Si se pueden sintetizar más de 64 secuencias en paralelo, esto podría proporcionar una ruta respetuosa con el medio ambiente para escribir ADN a muy gran escala”.
Barrera después de la química
Los investigadores también querían saber hasta qué punto se podía escalar el chip. Construyeron el chip colocando los sitios de síntesis más cerca unos de otros, con la esperanza de aumentar la cantidad de secuencias de ADN producidas simultáneamente.
El experimento no tuvo éxito, pero reveló una idea importante. El propio chip limita perfectamente el bajo pH al lugar previsto. La verdadera limitación proviene de la química utilizada durante la desprotección.
En lugar de eliminar directamente los grupos bloqueadores, el pH bajo crea moléculas intermedias que realizan el paso de desprotección. Estas moléculas intermedias pueden fluir hacia sitios de síntesis vecinos, reduciendo la separación entre reacciones aunque el pH esté estrictamente controlado.
“El chip hizo lo que le pedimos: localizó el pH bajo en sitios seleccionados”, dijo Han Sae Jung, coprimer autor del estudio y ex estudiante de posgrado y actual investigador postdoctoral en Harvard. “La limitación proviene de la química de desprotección, no del silicio. Esto deja un siguiente paso claro para el campo: desarrollar una química de desprotección impulsada por ácido más directa que pueda seguir el ritmo del chip”.
Colaboración y apoyo a la investigación.
El proyecto fue una colaboración entre investigadores de Harvard, el Broad Institute, DNA Script y, más tarde, PostTech. La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard registró la propiedad intelectual relacionada con la Plataforma. La investigación se titula “Síntesis enzimática paralela de ADN utilizando un chip semiconductor”.
La investigación fue apoyada en parte por la Inteligencia Nacional (ODNI), la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia (IARPA), 2019-19081900002, Horizonte Europa, ID del Proyecto Hyperion: 101115253 y el Centro de Incubación y Financiamiento de Investigación de Samsung del Centro de Incubación y Financiamiento de Investigación de Samsung para Samsung N Intelligence. SRFC-IT2402-09.
