Gli scienziati di Harvard hanno trasformato un chip di silicio in una macchina per scrivere il DNA

Il DNA sintetico è alla base di gran parte della medicina e della scienza moderne – diagnostica, ingegneria genomica, ricerca sul cancro – e tutto ciò dipende dalla capacità di produrre sequenze di DNA personalizzate su richiesta.

Il metodo standard per farlo si avvale di un processo chimico noto che funziona su vasta scala. Tuttavia, tale processo richiede l’uso di solventi organici pericolosi e deve essere eseguito in strutture specializzate e centralizzate, il che limita chi può farlo e dove.

Tuttavia, un nuovo studio condotto da un gruppo di ricerca di Harvard ha ora portato quel numero a 64, ciascuna lunga fino a 39 nucleotidi, utilizzando un chip di silicio e correnti elettriche accuratamente controllate.

Un chip che ha mosso i primi passi studiando i neuroni

La cosa curiosa di questo chip è che non era stato progettato affatto per il DNA: originariamente era stato realizzato da Jeffrey Abbott, un ex dottorando del laboratorio di Donhee Ham presso la Scuola di Ingegneria di Harvard, per registrare l’attività elettrica all’interno di grandi popolazioni di cellule cerebrali. Dopo aver riprogettato gli elettrodi di superficie, il team si è reso conto che lo stesso controllo di precisione della corrente poteva essere reindirizzato dai neuroni alle molecole.

«A un certo punto, ci siamo chiesti se quello stesso controllo della corrente potesse essere reindirizzato dalle cellule alle molecole, sostituendo gli elettrodi rivolti verso i neuroni con coppie di elettrodi ad anello in grado di localizzare il pH per la sintesi del DNA», ha spiegato Ham. «Ha funzionato.»

La superficie del chip presenta 64 siti di sintesi, ciascuno dotato di due elettrodi ad anello concentrico che circondano molecole di DNA ancorate. Quando un sito viene attivato, l’elettrodo interno genera protoni che abbassano il pH locale e innescano l’attacco del blocco costruttivo successivo.

L’elettrodo esterno assorbe eventuali protoni che si disperdono verso l’esterno, mantenendo la reazione confinata in quel singolo punto. Ripetendo il processo attraverso più cicli si costruiscono 64 sequenze uniche in modo indipendente.

Quando la chimica diventa il collo di bottiglia

Il team ha anche provato ad avvicinare maggiormente i siti per aumentare ulteriormente la scala, e sebbene il chip stesso sia riuscito a confinare il pH con precisione, la chimica li ha delusi. La fase di deprotezione – che rimuove un gruppo bloccante tra ogni ciclo di costruzione – genera molecole intermedie che possono spostarsi nei siti adiacenti e causare reazioni indesiderate, il che limita la distanza minima a cui i siti possono essere distanziati.

I ricercatori hanno inoltre utilizzato le loro 64 sequenze per codificare un testo di 169 byte come prova di fattibilità per l’archiviazione dei dati nel DNA, che rimane un obiettivo a lungo termine poiché il DNA è straordinariamente compatto e durevole come supporto di archiviazione.

Un altro coautore dello studio, Woo-Bin Jung, ha affermato che se la sintesi parallela potesse essere estesa ben oltre le 64 sequenze, la sintesi enzimatica in acqua «potrebbe offrire un percorso ecocompatibile verso la scrittura del DNA su scala molto ampia». Tuttavia, ha aggiunto, prima che ciò diventi possibile, la chimica dovrà mettersi al passo con il chip.