Científicos de Harvard convierten un chip de silicio en una máquina de escritura de ADN

Los chips de silicio han sido la base de la computación moderna durante décadas. Ahora, investigadores les están dando un papel completamente nuevo en la biotecnología. Además de procesar información, estos chips se utilizan cada vez más para estudiar sistemas vivos mediante el registro de actividad neuronal, la lectura de ADN y, ahora, incluso la creación de ADN.

En un nuevo estudio publicado en la revista Nature Electronics, un equipo de investigación liderado por Harvard presentó un chip de silicio capaz de sintetizar 64 secuencias de ADN diferentes al mismo tiempo. En lugar de depender del proceso químico intensivo en solventes comúnmente utilizado para fabricar ADN sintético, el dispositivo emplea un enfoque enzimático basado en agua. Corrientes eléctricas cuidadosamente controladas desencadenan reacciones de construcción de ADN en ubicaciones específicas a través del chip.

La investigación fue dirigida por Donhee Ham, profesor John A. y Elizabeth S. Armstrong de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard.

La importancia del ADN sintético en la ciencia moderna

El ADN sintético es esencial para muchas áreas de la ciencia y la medicina modernas, incluyendo diagnósticos, ingeniería genómica e investigación del cáncer. Hoy en día, la mayoría del ADN personalizado se produce utilizando química de fosforamidita, un método bien establecido que puede fabricar millones de secuencias de ADN en paralelo. Sin embargo, ese proceso depende de solventes orgánicos peligrosos y típicamente requiere instalaciones centralizadas especializadas.

Los científicos han estado explorando la síntesis enzimática de ADN como una alternativa más suave, porque utiliza agua y se asemeja más estrechamente a la forma en que las células vivas construyen naturalmente el ADN. El enfoque podría eventualmente permitir sistemas de síntesis de ADN más pequeños, más seguros y más ampliamente disponibles.

Un avance significativo en capacidad de producción

Hasta ahora, sin embargo, los métodos enzimáticos habían quedado muy por detrás de la fabricación convencional en cuanto al número de secuencias de ADN que pueden producir simultáneamente. Las demostraciones anteriores habían estado limitadas a aproximadamente una docena de secuencias a la vez. El chip del equipo de Harvard sintetizó con éxito 64 secuencias de ADN diferentes en paralelo, cada una de hasta 39 nucleótidos de longitud, estableciendo un nuevo hito para la tecnología.

Cómo funciona el chip

El ADN se ensambla un nucleótido a la vez. Después de que se agrega cada nucleótido, un grupo de bloqueo temporal evita el crecimiento adicional. Antes de que se pueda unir el siguiente nucleótido, ese grupo de bloqueo debe eliminarse mediante un proceso llamado desprotección, que se activa por condiciones ácidas, o pH bajo, en agua.

Producir muchas secuencias de ADN diferentes al mismo tiempo requiere reducir el pH solo en ubicaciones seleccionadas durante cada ciclo de síntesis. El chip de Harvard logra esto utilizando pequeñas corrientes eléctricas.

Su superficie contiene 64 sitios de síntesis. Cada sitio presenta dos electrodos en forma de anillo concéntricos que rodean moléculas de ADN ancladas en el centro. Cuando se activa una ubicación específica, el electrodo interno genera protones que reducen el pH local y permiten que la cadena de ADN crezca. Al mismo tiempo, el electrodo externo elimina los protones que se propagan hacia afuera, manteniendo la región ácida confinada a ese único sitio.

Al repetir este proceso a través de múltiples ciclos, el chip construye independientemente 64 secuencias únicas de ADN a través de su superficie.

De la neurociencia a la biotecnología

Curiosamente, el chip no fue diseñado originalmente para fabricar ADN.

Jeffrey Abbott, un ex estudiante de doctorado en el laboratorio de Ham, desarrolló inicialmente la electrónica de silicio para registrar la actividad eléctrica dentro de grandes poblaciones de neuronas. Después de rediseñar los electrodos de superficie, los investigadores descubrieron que la misma tecnología subyacente podía controlar con precisión las condiciones químicas necesarias para la síntesis de ADN.

Una característica definitoria del chip fue la inyección de corriente de precisión, que utilizamos para permeabilizar membranas neuronales para acceso intracelular. En cierto punto, nos preguntamos si ese mismo control de corriente podría redirigirse de células a moléculas, reemplazando los electrodos orientados a neuronas con pares de electrodos en anillo que podrían localizar el pH para la síntesis de ADN. Funcionó.

Esta declaración de Ham ilustra cómo la adaptación de una tecnología desarrollada para un propósito científico puede abrir puertas inesperadas en campos completamente diferentes.

Perspectivas futuras

El desarrollo de este chip representa un paso significativo hacia la democratización de la síntesis de ADN. Al eliminar la dependencia de solventes orgánicos peligrosos y reducir potencialmente la necesidad de instalaciones especializadas y centralizadas, esta tecnología podría hacer que la producción de ADN sintético sea más accesible para laboratorios de investigación de diversos tamaños y ubicaciones.

La capacidad de sintetizar 64 secuencias simultáneamente, aunque todavía por debajo de los millones que pueden producir los métodos convencionales, marca un avance sustancial para los enfoques enzimáticos. Cada secuencia logró una longitud de 39 nucleótidos, demostrando que el método no solo es más numeroso sino también capaz de producir cadenas de ADN de longitud práctica.

La integración de la electrónica de silicio con la biología molecular abre caminos prometedores para futuras innovaciones. A medida que la tecnología continúe desarrollándose, es posible que veamos chips capaces de sintetizar aún más secuencias en paralelo, con mayor longitud y precisión, acercando los métodos enzimáticos a la escala comercial de los procesos químicos tradicionales.

Este tipo de avances tecnológicos en la intersección de la ingeniería y la biología molecular son fundamentales para el progreso de campos como la medicina personalizada, el desarrollo de terapias génicas y la investigación biomédica en general.