Kun puhelimesi siru alkaakin kirjoittaa DNA:ta

Haluan kertoa sinulle jotain, mikä kuulostaa tieteiskirjallisuudelta mutta tapahtuu oikeasti laboratoriolisä.

Harvardin tutkijat ovat kehittäneet pienen piisirun — samanlaista kuin sinun tietokoneessasi ja puhelimessasi — joka pystyy kirjoittamaan DNA:ta. Ei vain lukemaan sitä. Ei vain tutkimaan. Vaan todella syntetisoimaan sen, kirjain kirjaimelta, kuin molekyylitason 3D-tulostin.

Miksi tämä on merkittävää?

DNA:n synteesissä ei ole kyse mistään uudesta. Tutkijat ovat luoneet synteettistä DNA:ta vuosia — se on ratkaisevan tärkeää kaikessa koronatesteistä syövän tutkimukseen ja geeniterapiaan. Mutta ongelma on: perinteinen menetelmä käyttää varsin ikäviä kemikaaleja. Puhumme vaarallisista orgaanisista liuottimista, jotka vaativat erikoisvarusteltuja tiloja ja paljon turvatoimia.

Harvardin tutkimusryhmä, professori Donhee Hamin johdolla, otti täysin erilaisen lähestymistavan. Kovien kemikaalien sijaan heidän sirunsa hyödyntää vesipohjaista entsymaattista synteesiä — käytännössä se jäljittelee tapaa, jolla elävät solut luonnostaan rakentavat DNA:ta. Paljon lempeämpää, paljon puhtaampaa, paljon vähemmän ympäristöongelmia.

"Miten kukaan keksi tämän?" -tarina

Tämä tarina on vieläkin hienompi. Sirua ei alun perin suunniteltu lainkaan DNA:n synteesiä varten.

Entinen tohtoriopiskelija Jeffrey Abbott kehitti näitä piielektroniikkaa tallentaakseen sähköistä aktiivisuutta suurista neuroniryhmistä — siis aivotutkimusta varten. Teknologia pystyi hallitsemaan tarkasti pieniä sähkövirtoja. Sitten tutkimusryhmällä syttyi lamppu: entä jos ohjaisimme saman tarkan hallinnan soluilta molekyyleille?

He suunnittelivat pintaelektrodit uudelleen, vaihtoivat neuronipuolen osat niin sanotuiksi rengaselektrodi-pareiksi, ja boom — sama teknologia, joka lukee aivosignaaleja, pystyi nyt hallitsemaan DNA:n rakentamiseen tarvittavia kemiallisia olosuhteita.

Pidän siitä, kun tiede toimii näin. Yksi läpimurto johtaa johonkin täysin odottamattomaan.

64 sekvenssiä samanaikaisesti — oikea virstanpylväs

Tässä on se tekninen saavutus, joka sai tutkijat innostumaan: siru pystyy syntetisoimaan 64 erilaista DNA-sekvenssiä samanaikaisesti. Kukin voi olla jopa 39 nukleotidia pitkä, ja ne kaikki kasvavat itsenäisesti, kuin 64 pientä molekyylien kokoonpanolinjaa toimisivat yhtä aikaa.

Se ei ehkä kuulosta isolta luvulta, mutta entsymaattiselle DNA-synteesille — lempeämmälle, vesipohjaiselle lähestymistavalle — tämä on oikeasti iso juttu. Aiemmat menetelmät jäivät noin kymmeneen sekvenssiin kerrallaan. Joten joo, tämä on aito virstanpylväs.

Toimintaperiaate on varsin elegantti. Kullakin sirun 64 sivustalla on kaksi konsentrista rengaselektrodia, jotka ympäröivät keskelle ankkuroituja DNA-molekyylejä. Kun aktivoitu, sisempi elektrodi tuottaa protoneja, jotka laskevat paikallista pH:ta ja mahdollistavat kyseisen DNA-ketjun kasvun. Ulompi elektrodi toimii protonisienenä ja pitää happaman alueen rajattuna vain tuohon yhteen kohtaan. Ei ristikontaminaatiota, ei häiriöitä sekvessien välillä.

Miksi sinun pitäisi välittää?

Tiedettä enemmän, mitä tämä oikeasti tarkoittaa?

Ensinnäkin tämä voisi tehdä DNA-synteesistä paljon saavutettavampaa. Tällä hetkellä suurin osa synteettisestä DNA:sta täytyy valmistaa keskitetyissä erikoislaitoksissa noiden vaarallisten liuottimien vuoksi. Lempeämpi, vesipohjainen lähestymistapa voisi lopulta johtaa pienempiin ja turvallisempiin järjestelmiin, joita enemmän laboratorioita — jopa pienempiä — voisi käyttää.

Tutkijat osoittivat myös, että nämä 64 sekvenssiä pystyivät koodaamaan 169 tavua tekstiviestiä. No, ennen kuin innostut liikaa, DNA-datasäilytys on vielä pitkän aikavälin tavoite, joka vaatisi DNA:n valmistamista valtavassa mittakaavassa. Mutta here's the thing: kun yritämme laajentaa DNA-säilytystä, myrkyllisten liuottimien vähentäminen käy yhä tärkeämmäksi. Entsymaattinen synteesi voivat olla avain kestävyyteen.

Kokonaisuus

Se, mikä minua eniten viehättää tässä tutkimuksessa, ei ole pelkästään tekninen saavutus — se on muistutus siitä, että suurimmat läpimurrot tulevat odottamattomista paikoista. Kukaan ei lähtenyt tavoittelemaan DNA-kirjoittajaa aivotutkimusteknologian avulla. Se tapahtui, koska uteliaat tutkijat kysyivät: "mitä muuta tämä voisi tehdä?"

Sellaista lateraalista ajattelua tarvitaan, jotta tiede etenee. Ja kuka tietää? Ehkä joskus samat periaatteet, jotka ovat puhelimesi sirun takana, auttavat valmistamaan tulevaisuuden DNA-pohjaisia lääkkeitä tai datansäilytysjärjestelmiä.

Kuinka siistiä se onkaan?