Twoja cała biblioteka zdjęć w probówce?

Okay, przyznaję się bez bicia – to mnie naprawdę zaskoczyło. Naukowcy właśnie zbudowali niewielki układ krzemowy, wielkości paznokcia kciuka, który potrafi wytwarzać DNA przy użyciu prądu elektrycznego i wody. Żadnych toksycznych odczynników. Żadnych kombinezonów ochronnych. Po prostu precyzyjne impulsy elektryczne wykonujące całą robotę.

I szczerze? To jedna z najciekawszych rzeczy, jakie przeczytałem w tym roku.

Dlaczego DNA jest takie ważne?

Zanim przejdziemy do tej technologii, zastanówmy się, dlaczego DNA jest istotne w ogóle. Poza oczywistym faktem, że to właśnie ono czyni nas nami, DNA to w zasadzie najlepszy system przechowywania danych, jaki natura kiedykolwiek stworzyła. Weź pod uwagę: każdy żywy organizm na Ziemi zapisuje swoje instrukcje genetyczne w cząsteczkach DNA, a te cząsteczki są niesamowicie zwarte. Mówimy o potencjale zmieszczenia eksabajtów danych w czymś mniejszym niż kostka cukru.

Wyobraź sobie, że nigdy więcej nie zabraknie ci miejsca w telefonie.

DNA to również serce szczepionek (pamiętasz te mRNA przeciwko COVID?), terapii genowych dla chorób dziedzicznych i metod leczenia nowotworów. Kiedy więc naukowcy znajdują lepsze sposoby tworzenia syntetycznego DNA, efekty rozchodzą się po całej medycynie.

Stary sposób nie był zbyt dobry

Obecne metody wytwarzania syntetycznego DNA opierają się na tzw. chemii fosforamidynowej. Działa, owszem, ale wymaga niebezpiecznych rozpuszczalników, specjalistycznych laboratoriów i generalnie brzmi jak coś, do czego potrzebujesz doktoratu z chemii, żeby obsługiwać to bezpiecznie. Mniejsze laboratoria po prostu nie mają takich możliwości.

To trochę jak potrzebowanie profesjonalnej kuchni gastronomicznej tylko po to, żeby upiec ciasteczka.

Wchodzi układ krzemowy

To, co zespół z Harvardu (przy współpracy z Uniwersytetem w Pohang) osiągnął, jest naprawdę niezłe. Wzięli układ zaprojektowany pierwotnie do rejestrowania aktywności elektrycznej neuronów, trochę go przerobili i zamienili w fabrykę DNA.

Na czym polega magia? Używają enzymatycznej syntezy DNA – czyli naśladują sposób, w jaki żywe komórki naturalnie budują DNA, zamiast przemysłowego podejścia chemicznego. I zamiast litrów niebezpiecznych rozpuszczalników, używają głównie wody.

Układ wykorzystuje precyzyjnie dostrojone elektrody do kontrolowania dokładnych warunków chemicznych potrzebnych do budowania nici DNA. W swoim ostatnim eksperymencie wytworzyli 64 różne sekwencje DNA jednocześnie, każda o długości 39 nukleotydów. To ogromny skok w porównaniu z wcześniejszymi próbami, które potrafiły wyprodukować zaledwie tuzin czy kilkanaście sekwencji naraz.

Główny autor, Donhee Ham, opisuje to jako "przekierowanie" precyzyjnej kontroli prądu z neuronów na cząsteczki. To samo narzędzie, inna praca. Szczerze mówiąc, to właśnie takie kreatywne podejście do problemów sprawia, że nauka jest fascynująca.

Co wciąż stanowi przeszkodę?

Nie chcę tutaj przesadzać z entuzjazmem. Technologia musi jeszcze dojrzeć.

Naukowcy odkryli, że kiedy próbowali zmniejszyć miejsca syntezy i upakować więcej produkcji DNA na układzie, zaczęły się problemy. Podczas etapu zwanego deprotekcją (gdzie usuwane są grupy ochronne z nukleotydów), cząsteczki dryfowały do sąsiednich miejsc i powodowały zakłócenia.

Jak ujął to jeden z badaczy: "Ograniczenie wynika z chemii deprotekcji, nie z krzemu."

Sam układ działa więc świetnie. To chemia potrzebuje dopracowania. Ale jest jedna ważna rzecz – to problem do rozwiązania. Naukowcy dokładnie wiedzą, nad czym muszą pracować.

Dlaczego mnie to ekscytuje

Patrzcie, jestem entuzjastą technologii, nie biologiem. Ale nawet ja doceniam, co to oznacza.

Mówimy o przyszłości, gdzie:

• dane mogłyby być przechowywane w DNA przez wieki (a może tysiąclecia) bez degradacji
• leczenie mogłoby stać się bardziej spersonalizowane i dostępne
• ślad węglowy badań biotechnologicznych mógłby drastycznie się zmniejszyć

Jest coś poetyckiego w używaniu naturalnego systemu przechowywania informacji do rozwiązywania naszych współczesnych problemów z danymi. To jak powrót do punktu wyjścia – ludzie uczą się od biologii, a potem wykorzystują tę wiedzę, by służyła ludzkim potrzebom.

Sami badacze przyznają, że osiągnięcie skali potrzebnej do praktycznego przechowywania danych w DNA będzie wymagało syntezowania znacznie więcej niż 64 sekwencji równolegle. Ale mówią też, że ten układ oferuje "przyjazną dla środowiska ścieżkę" do tego celu.

Podsumowanie

Przed nami jeszcze sporo pracy. Ale każdy przełom zaczyna się od proof of concept, a ten układ jest właśnie tym. To przedsmak tego, jak mogłaby wyglądać biotechnologia, gdybyśmy przestali próbować wtłaczać naturę w ramy procesów przemysłowych i zamiast tego pracowali z biologicznymi mechanizmami.

Będę obserwować ten temat. Jeśli naukowcy rozwiążą problem chemii deprotekcji, możemy mówić o prawdziwej rewolucji w medycynie i przechowywaniu danych.

A teraz wybaczcie – muszę docenić fakt, że gdzieś w laboratorium Harvardu znajduje się maleńki układ, który jest naprawdę, naprawdę dobry w budowaniu cząsteczek życia.

Źródło: Popular Mechanics