哈佛大學研發矽晶片，可利用電流與水同步合成64條DNA序列
哈佛大學研究人員開發出一款半導體晶片，能以電流與水性酶促反應同步合成64條不同的DNA序列，每條序列長達39個核苷酸。相較於傳統需大量有機溶劑的磷酸醯胺化學法，此技術更環保，並成功將169位元組文字訊息編碼於DNA中，展示了DNA資料儲存的應用潛力。研究成果已發表於《Nature Electronics》。
文章重點
- 哈佛大學研發半導體晶片，可利用電流與水性酶促反應同步合成64條不同DNA序列，每條長達39個核苷酸。
- 此技術以環形電極對局部調控pH值驅動DNA合成，無需傳統磷酸醯胺法所需的大量有機溶劑，更加環保。
- 研究團隊利用64條合成DNA序列成功編碼169位元組文字訊息，展示DNA資料儲存的實際可行性。
- 現有酶促DNA合成方法每次僅能生產約十幾條序列，新晶片將此上限提升至64條，實現更高效的平行合成。
- 研究成果發表於《Nature Electronics》，技術瓶頸被確認為去保護化學反應，而非晶片本身的電子架構。
哈佛大學研究人員開發出一款半導體晶片，能以電流與水性酶促（enzymatic）反應同步合成64條不同的DNA序列，有望為傳統DNA製造方法提供一種替代選擇。
該晶片透過局部電控機制，在晶片表面的特定位點觸發DNA合成。研究團隊表示，此方法可避免目前廣泛使用於合成DNA生產的磷酸醯胺化學法（phosphoramidite chemistry）所需的大量有機溶劑。
合成DNA是現代生物技術的重要工具，應用範疇涵蓋診斷檢測、基因組工程到癌症研究。儘管酶促DNA合成作為更環保的替代方案已逐漸受到關注，但在規模化生產方面仍難以與傳統方法匹敵。
研究人員指出，酶促方法迄今僅能同步生產約十幾條DNA序列。而在最新研究中，該晶片可平行生成64條不同的DNA序列，每條序列長度最多達39個核苷酸。
電流精準導引DNA合成
DNA合成每次只能添加一個核苷酸。每次添加後，必須先移除臨時封阻基（blocking group），才能接續下一個核苷酸的連接。
為控制此過程，哈佛研究團隊設計了一款具有64個合成位點的晶片。每個位點包含兩個同心環形電極，環繞著固定於中央的DNA鏈。
啟動後，內側電極會產生質子，使特定DNA鏈周圍的pH值下降，形成酸性環境，進而促進酶促DNA延伸。同時，外側電極負責消耗擴散的質子，防止低pH區域擴散至鄰近位點。
透過在每個合成循環中於選定位置重複此過程，晶片便能同步構建多條不同的DNA序列。
這項研究奠基於一個最初為神經科學應用所開發的半導體平台。
哈佛大學工程與應用科學系 John A. and Elizabeth S. Armstrong 講座教授 Donhee Ham 表示：「該晶片的一大特色是精準電流注入，我們原本用它來穿透神經元細胞膜以進行細胞內存取。某個時刻，我們開始思考，能否將同樣的電流控制從細胞轉向分子——以環形電極對取代原本面向神經元的電極，藉此局部調控pH值來合成DNA。結果成功了。」
DNA資料儲存的應用潛力
除了生物醫學應用外，研究人員也探索了這項技術在DNA資料儲存方面的潛力。
研究團隊利用合成的64條DNA序列，將一段169位元組（byte）的文字訊息編碼其中，展示了此平台在DNA分子中儲存數位資訊的可行性。
研究人員認為，若未來DNA生產規模大幅擴張，以水為基底的合成方法將日益重要。
研究論文共同第一作者 Woo-Bin Jung 表示：「DNA資料儲存要求DNA合成的規模遠超當今的需求。這正是水性酶促合成的重要性所在——若能同步合成遠超64條的序列，便可為大規模DNA寫入提供一條環保路徑。」
研究團隊也嘗試提高晶片上合成位點的密度。儘管相關實驗未能成功，但結果揭示了主要瓶頸在於移除封阻基的化學反應，而非晶片本身的電子架構。
論文共同第一作者 Han Sae Jung 表示：「晶片做到了我們要求的事：它將低pH值局限在特定位點。限制來自去保護化學（deprotection chemistry），而非矽晶片本身。」
本研究已發表於學術期刊《Nature Electronics》。
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本文由 LAETimes 編輯部審核發佈 ·
