Programmering af pH:Ny teknik kan fremskynde DNA-syntese

pH - koncentrationen af ​​protoner i en vandig opløsning - angiver, hvor sur opløsningen er. Det regulerer en bred vifte af naturlige og konstruerede kemiske processer, herunder syntesen af ​​designet DNA-sekvenser til anvendelser inden for bioteknologi.

Ændring af pH ensartet på tværs af en hel vandbaseret opløsning er en standardpraksis i kemi. Men hvad nu hvis forskere kunne skabe en række lokale pH-områder, hvor protoner er mere intenst koncentreret end i andre dele af opløsningen? Dette ville give dem mulighed for at udføre pH-reguleret kemi på hver af disse steder parallelt, hvilket dramatisk øger den eksperimentelle gennemstrømning og fremskynder processer i DNA-syntese, som har anvendelser inden for genomik, syntetisk biologi, vaccineudvikling og andre terapier og datalagring.

Men lokalisering af pH er en udfordring, fordi protoner spredes hurtigt ud i en vandbaseret opløsning.

Nu har forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), i samarbejde med forskere ved Broad Institute of MIT og Harvard, og DNA Script, et biotek med fokus på at muliggøre benchtop enzymatisk DNA-syntese, udviklet en teknik til at kontrollere pH på lokalt niveau, hvilket skaber et tæt array af mikrosteder, hvor mængden af ​​protoner er 100 til 1000 gange højere end gennemsnittet i resten af ​​opløsningen.

"Dette arbejde muliggør en høj-throughput anvendelse af en bred vifte af pH-reguleret kemi, herunder biomolekylær syntese," sagde Donhee Ham, Gordon McKay professor i elektroteknik og anvendt fysik ved SEAS og co-senior forfatter af papiret.

"Det blev gjort muligt af en række elektrokemiske celler i mikrometerskala med unik geometri fremstillet på og drevet af en halvleder-chip med integreret kredsløb," sagde Hongkun Park, Mark Hyman Jr. professor i kemi og professor i fysik og med- senior forfatter af papiret.

Forskningen er publiceret i Science Advances.

Halvlederchippen, der har 256 elektrokemiske celler på overfladen, er direkte forbundet med en vandbaseret opløsning af quinonmolekyler. Hver celle ligner en bullseye med to koncentriske metalliske ringe. Den indre ring injicerer en strøm ind i opløsningen for elektrokemisk at producere protoner fra quinonmolekyler. Disse lokalt genererede protoner forsøger at sprede sig, men neutraliseres nær den ydre ring, der elektrokemisk producerer basemolekyler fra quinonmolekyler ved at trække en strøm fra opløsningen. De lokalt genererede protoner er således fanget i og omkring midten af ​​bullseye, hvilket skaber et surt mikromiljø med en sænket pH.

"I det væsentlige, i hver aktiveret elektrokemisk celle, opsætter vi en elektrokemisk væg ved hjælp af den ydre ring, som syren genereret af den indre ring ikke kan trænge ind," sagde Han Sae Jung, en kandidatstuderende ved SEAS og medførsteforfatter af papiret . "Da hver celle styres uafhængigt af den underliggende halvlederchip, kan vi sænke pH ved en hvilken som helst vilkårlig delmængde af de 256 elektrokemiske celler, vi vælger at aktivere. Den unikke cellestruktur, vi har udviklet på den halvleder elektroniske chip, muliggør denne spatio-selektive pH-programmering. ."

"Vores enhed kan ikke kun lokalisere og præcist justere pH ved at justere strømmene af de koncentriske ringe i hver elektrokemisk celle, men kan også overvåge pH i realtid ved hjælp af on-chip pH-sensorer fordelt over det elektrokemiske cellearray," sagde Woo-Bin Jung , en postdoc ved SEAS og medførsteforfatter af papiret. "Derfor kan vi skabe ethvert rumligt mønster af mål-pH-værdier eller pH-topografi i den vandige opløsning med realtidsfeedback fra kortet over det rumlige pH-mønster, vi afbilder."

"Mens traditionel kemisk DNA-syntese udføres i ikke-vandige medier, vinder enzymatisk DNA-syntese i vandige medier hurtigt interesse, da det minimerer molekylær skade og generering af farligt affald og kan øge syntesehastigheden og ydeevnen," siger Xavier Godron, CTO for DNA Script og medforfatter til papiret. "Vores manipulation af rumlige pH-mønstre i vandige medier kan således føre til enzymatisk DNA-syntese med høj gennemstrømning med mange bioteknologiske anvendelser fra proteinteknologi og antistofscreening til lagring af DNA-information."

"Dette arbejde viser styrken i tværfaglige tilgange, der samler halvlederelektronik, elektrokemi og molekylærbiologi. Teknologien baner vejen for en række yderligere biologiske applikationer, herunder oligobiblioteker til diagnostik og syntetisk biologi-baseret enzymudvikling," sagde Robert Nicol, seniordirektør for teknologiudvikling ved Broad Institute og medforfatter til papiret. "Integration af disse forskellige discipliner krævede meget samarbejdende teams, der var villige til at lære af hinanden på tværs af industrien og den akademiske verden."

Andre medforfattere til forskningen omfatter Jun Wang, Jeffrey Abbott, Adrian Horgan, Maxime Fournier, Henry Hinton og Young-Ha Hwang. + Udforsk yderligere

Nanoelektroder optager tusindvis af forbundne pattedyrneuroner indefra