Mỹ chế tạo thành công chuỗi DNA bằng chip bán dẫn

Các nhà khoa học Đại học Harvard (Mỹ) đã phát triển thành công chip bán dẫn có khả năng tổng hợp đồng thời 64 chuỗi DNA trong môi trường nước bằng phương pháp enzyme, mở ra hướng đi thân thiện môi trường cho sản xuất DNA, lưu trữ dữ liệu sinh học và phát triển các công nghệ y sinh thế hệ mới.

Một nhóm nghiên cứu do Đại học Harvard dẫn đầu vừa đạt bước tiến đáng chú ý trong lĩnh vực công nghệ sinh học khi phát triển thành công chip bán dẫn có thể tổng hợp đồng thời 64 chuỗi DNA khác nhau bằng phương pháp enzyme trong môi trường nước. Thành tựu được công bố trên tạp chí Nature Electronics đánh dấu kỷ lục mới về khả năng tổng hợp DNA song song bằng enzyme, đồng thời mở ra triển vọng thay thế quy trình sản xuất DNA truyền thống vốn phụ thuộc nhiều vào hóa chất hữu cơ độc hại.

Trong hơn nửa thế kỷ qua, chip silicon là nền tảng của cuộc cách mạng điện tử và máy tính. Hiện nay, các nhà khoa học đang mở rộng ứng dụng của công nghệ này sang lĩnh vực sinh học, từ ghi nhận hoạt động của tế bào thần kinh, giải trình tự gene cho đến trực tiếp sản xuất DNA nhân tạo.

Công trình mới do Giáo sư Donhee Ham, thuộc Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson (SEAS), Đại học Harvard, đứng đầu. Thay vì sử dụng các hệ thống thiết bị hóa học cồng kềnh để kiểm soát quá trình tổng hợp DNA, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một chip bán dẫn sử dụng dòng điện được điều khiển cực kỳ chính xác nhằm kích hoạt các phản ứng hóa học tại từng vị trí riêng biệt trên bề mặt chip.

Sơ đồ các bước cốt lõi trong nền tảng tổng hợp bằng enzyme. Nguồn: Nhóm Ham / Harvard SEAS.

Thay thế quy trình hóa học truyền thống bằng phương pháp dùng enzyme trong nước

DNA tổng hợp hiện đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như chẩn đoán bệnh, chỉnh sửa hệ gene, nghiên cứu ung thư và sinh học tổng hợp.

Hiện nay, phần lớn DNA nhân tạo được sản xuất bằng phương pháp hóa học phosphoramidite. Dù công nghệ này có thể tạo ra hàng triệu chuỗi DNA cùng lúc, nó phụ thuộc vào nhiều dung môi hữu cơ nguy hại và thường chỉ được triển khai tại các cơ sở sản xuất tập trung quy mô lớn.

Trong khi đó, phương pháp tổng hợp DNA bằng enzyme diễn ra hoàn toàn trong môi trường nước và mô phỏng gần với cơ chế tạo DNA tự nhiên của tế bào sống. Cách tiếp cận này được kỳ vọng sẽ giúp các thiết bị sản xuất DNA trong tương lai nhỏ gọn hơn, an toàn hơn và thân thiện hơn với môi trường.

Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của phương pháp enzyme là khả năng tổng hợp song song còn thấp. Trước nghiên cứu này, các hệ thống tiên tiến nhất chỉ có thể tạo khoảng hơn 10 chuỗi DNA cùng thời điểm.

Nhóm nghiên cứu Harvard đã nâng con số này lên 64 chuỗi DNA riêng biệt, mỗi chuỗi dài tối đa 39 nucleotide, qua đó xác lập chuẩn mới về tổng hợp DNA bằng enzyme theo phương pháp song song.

Điều khiển từng phản ứng sinh học bằng dòng điện trên chip

Trong quá trình hình thành DNA, mỗi nucleotide chỉ được gắn thêm sau khi nhóm bảo vệ tạm thời ở đầu chuỗi được loại bỏ. Quá trình này, gọi là deprotection, cần môi trường có độ pH thấp.

Thách thức lớn nằm ở việc chỉ tạo môi trường axit đúng tại những vị trí cần tiếp tục tổng hợp DNA, đồng thời không để phản ứng lan sang các chuỗi lân cận.

Để giải quyết bài toán này, nhóm nghiên cứu đã tích hợp trên chip 64 vị trí tổng hợp DNA độc lập. Mỗi vị trí gồm hai điện cực hình vòng đồng tâm bao quanh các sợi DNA cố định ở trung tâm.

Khi cần kéo dài một chuỗi DNA, chip sẽ đưa dòng điện vào điện cực vòng trong để tạo proton, từ đó làm giảm pH cục bộ ngay quanh sợi DNA và kích hoạt enzyme tiếp tục gắn nucleotide mới.

Đồng thời, điện cực vòng ngoài hoạt động theo chiều ngược lại để tiêu thụ các proton khuếch tán ra ngoài, ngăn vùng axit lan sang các vị trí kế cận.

Thông qua việc kích hoạt các vị trí khác nhau trong từng chu kỳ tổng hợp, chip tạo nên các vùng pH thấp cục bộ thay đổi liên tục, giúp xây dựng đồng thời 64 chuỗi DNA khác nhau trên cùng một bề mặt.

Từ nghiên cứu tế bào thần kinh đến "nhà máy sản xuất DNA"

Đáng chú ý, chip bán dẫn này ban đầu không được phát triển để sản xuất DNA.

Theo nhóm nghiên cứu, thiết bị được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Giáo sư Donhee Ham nhằm ghi nhận tín hiệu nội bào của số lượng lớn tế bào thần kinh. Công nghệ này từng được sử dụng để theo dõi hoạt động của hàng nghìn neuron và lập bản đồ hàng chục nghìn kết nối thần kinh.

Sau đó, nhóm nghiên cứu nhận thấy khả năng điều khiển dòng điện cực kỳ chính xác của chip có thể được ứng dụng sang lĩnh vực hoàn toàn khác.

Giáo sư Donhee Ham cho biết nhóm đã thay thế các điện cực vốn dùng cho tế bào thần kinh bằng các cặp điện cực hình vòng để kiểm soát pH cục bộ phục vụ quá trình tổng hợp DNA và ý tưởng này đã hoạt động đúng như kỳ vọng.

 Thành công mới đánh dấu bước tiến quan trọng hướng tới quy trình sản xuất DNA sạch hơn, có khả năng mở rộng quy mô và công nghệ lưu trữ dữ liệu dựa trên DNA trong tương lai. Nguồn: AI/ScienceDaily.com

Mở ra triển vọng lưu trữ dữ liệu bằng DNA

Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm khả năng lưu trữ dữ liệu bằng DNA bằng cách sử dụng 64 chuỗi DNA vừa tổng hợp để mã hóa một đoạn văn bản có dung lượng 169 byte.

Đây mới chỉ là minh chứng quy mô nhỏ cho công nghệ lưu trữ dữ liệu trong DNA, lĩnh vực đang được nhiều nhà khoa học theo đuổi nhờ mật độ lưu trữ rất cao và khả năng bảo quản thông tin trong thời gian dài.

Theo các tác giả, nếu công nghệ tổng hợp DNA bằng enzyme có thể

được mở rộng lên quy mô lớn hơn nhiều so với 64 chuỗi hiện nay, đây sẽ là nền tảng quan trọng để hiện thực hóa việc lưu trữ dữ liệu bằng DNA theo hướng thân thiện môi trường, bởi phương pháp này không tạo ra lượng lớn chất thải hóa học như quy trình phosphoramidite.

Ngoài lưu trữ dữ liệu, công nghệ còn được kỳ vọng hỗ trợ nhiều lĩnh vực như sinh học tổng hợp, chẩn đoán y học và phát triển các nền tảng sản xuất DNA phục vụ nghiên cứu cũng như chế tạo thuốc sinh học trong tương lai.

Rào cản tiếp theo nằm ở phản ứng hóa học

Sau khi đạt mốc 64 chuỗi DNA, nhóm nghiên cứu tiếp tục thử tăng mật độ các vị trí tổng hợp trên cùng một chip nhằm nâng cao năng suất.

Tuy nhiên, thí nghiệm không đạt kết quả như mong muốn.

Ban đầu, các nhà khoa học cho rằng hệ thống điện tử hoạt động chưa đủ chính xác. Song các phép kiểm tra sau đó cho thấy chip vẫn kiểm soát rất tốt vùng pH thấp.

Nguyên nhân thực sự lại nằm ở phản ứng hóa học khử nhóm bảo vệ (deprotection).

Theo nhóm nghiên cứu, môi trường axit không trực tiếp loại bỏ nhóm bảo vệ trên DNA mà tạo ra các phân tử trung gian thực hiện quá trình này. Những phân tử trung gian có thể khuếch tán sang các vị trí tổng hợp lân cận, khiến phản ứng vượt ra ngoài vùng pH đã được kiểm soát.

Điều này cho thấy giới hạn hiện nay không nằm ở thiết kế của chip bán dẫn mà nằm ở bản thân cơ chế hóa học của phản ứng khử nhóm bảo vệ.

Nhóm nghiên cứu nhận định bước tiếp theo của lĩnh vực này là phát triển các phản ứng khử nhóm bảo vệ mới, có khả năng đáp ứng trực tiếp với môi trường axit mà không tạo ra các phân tử trung gian khuếch tán, qua đó khai thác tối đa tiềm năng của nền tảng chip bán dẫn trong sản xuất DNA quy mô lớn.