Ein Siliziumchip, der eigentlich lebende Neuronen belauschen sollte, hat eine unerwartete zweite Karriere bekommen: das Schreiben von DNA. In einer in Nature Electronics veröffentlichten Studie stellt ein Team unter Harvard-Leitung einen Halbleiter vor, der 64 verschiedene DNA-Stränge nebeneinander auf seiner Oberfläche aufbaut, und dabei nichts Aggressiveres verwendet als fein gesteuerte elektrische Ströme und Wasser.
Das ist deshalb bedeutsam, weil synthetische DNA heute meist mit der Phosphoramidit-Chemie hergestellt wird, einem ausgereiften Hochdurchsatzverfahren, das Millionen Sequenzen gleichzeitig erzeugen kann, aber auf gefährliche organische Lösungsmittel und zentralisierte Produktionsstätten angewiesen ist. Seit Langem gilt die enzymatische Synthese, die unter milden, wasserbasierten Bedingungen ähnlich wie eine lebende Zelle arbeitet, als sicherere und potenziell leichter zugängliche Alternative. Ihre Schwäche war der Maßstab: Frühere enzymatische Demonstrationen schafften nur etwa ein Dutzend Sequenzen auf einmal. Die 64 parallelen Stränge des Harvard-Chips, jeder bis zu 39 Nukleotide lang, setzen einen neuen Maßstab für diesen Ansatz.
Wie der Chip schreibt
DNA wird Nukleotid für Nukleotid zusammengesetzt, und nach jedem Baustein muss eine vorübergehende Schutzgruppe entfernt werden, ein Schritt namens Deprotektion, der durch lokale Säure ausgelöst wird. Der Kniff, um viele verschiedene Sequenzen gleichzeitig zu erzeugen, besteht darin, den pH-Wert nur an genau jenen Stellen zu senken, die im jeweiligen Zyklus ihren nächsten Baustein erhalten sollen.
Der Chip erledigt das elektrochemisch. Laut der Fachpublikation trägt seine Oberfläche ein Feld aus 256 Ringelektroden-Paaren, jedes davon eine programmierbare Synthesestelle. An einer ausgewählten Stelle speist eine innere Elektrode Strom ein und erzeugt Protonen, die die unmittelbare Umgebung ansäuern, während eine äußere Elektrode Strom abzieht, um nach außen driftende Protonen wegzufangen, sodass die saure Zone eng begrenzt bleibt. Zyklus für Zyklus lässt dieses Muster Dutzende eigenständiger Stränge unabhängig voneinander wachsen.
Die Hardware war dafür nicht gebaut. Sie wurde ursprünglich im Labor von Donhee Ham vom früheren Doktoranden Jeffrey Abbott entwickelt, um die elektrische Aktivität großer Neuronenpopulationen aufzuzeichnen. "Irgendwann fragten wir uns, ob sich dieselbe Stromkontrolle von Zellen auf Moleküle umlenken ließe", sagte Ham, Professor an der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences in Harvard. "Es funktionierte."
Um den Nutzen zu zeigen, codierte das Team einen 169 Byte langen Text in die 64 Sequenzen, ein kleiner Beleg dafür, dass das Verfahren eines Tages zur DNA-basierten Datenspeicherung beitragen könnte, einer Idee, die gerade deshalb reizvoll ist, weil sie DNA in enormem Umfang erfordern würde, wo das Einsparen von Lösungsmitteln am meisten zählt.
Die Forschenden benennen die Grenzen offen. Als sie die Synthesestellen enger zusammenrückten, um die Dichte zu erhöhen, scheiterte das Experiment, doch es offenbarte den wahren Engpass. "Der Chip tat, worum wir ihn baten: Er begrenzte den niedrigen pH-Wert an den ausgewählten Stellen", sagte Co-Erstautor Han Sae Jung. Das Problem lag in der Deprotektions-Chemie, deren reaktive Zwischenprodukte zwischen benachbarten Stellen driften, nicht im Silizium. Die Studie legt nahe, dass ein Wechsel von einer indirekten zu einer direkteren Säure-Chemie den Durchsatz gemeinsam mit dem Chip skalieren lassen könnte.