ساخت DNA مصنوعی برای توسعه واکسنها، پیشرفت درمانهای ژنی و گسترش فناوریهای زیستی مانند ذخیرهسازی داده با DNA، اهمیتی اساسی دارد، اما تولید آن تاکنون فرآیندی پیچیده، زمانبر و وابسته به مواد شیمیایی فراوان بوده است.
پژوهشی تازه روشی را معرفی کرده که با استفاده از یک تراشه سیلیکونی، الکترودهای دقیق تنظیمشده و فرآیندی مبتنی بر آب به نام سنتز آنزیمی DNA، امکان تولید همزمان ۶۴ توالی متفاوت DNA را فراهم میکند.
این فناوری در مقایسه با تلاشهای قبلی در زمینه سنتز آنزیمی، جهشی بزرگ محسوب میشود و سازگاری بیشتری با محیط زیست دارد، اما برای رسیدن به مقیاسی که نیازهای پزشکی مدرن را تأمین کند، هنوز مسیر زیادی پیش رو دارد.
DNA مصنوعی؛ پایهای برای آینده پزشکی و ذخیره اطلاعات
#DNA، این مجموعه حیاتی از نوکلئوتیدها، نقشه اصلی شکلگیری حیات در زمین به شمار میرود. توانایی دانشمندان برای بازسازی و تولید این ساختار پیچیده طبیعی، دستاوردهای مهمی در زمینههایی مانند ساخت واکسن، درمانهای ژنی، تحقیقات سرطان و دیگر کاربردهای زیستفناوری به همراه داشته است؛ از جمله یکی از حوزههای نوظهور یعنی ذخیرهسازی اطلاعات دیجیتال در DNA.
با وجود نقش مهم DNA مصنوعی در پزشکی امروزی، ساخت این مارپیچهای دوگانه ارزشمند فرآیندی ساده نیست و به فناوریهای پیشرفته نیاز دارد. در حال حاضر تولید DNA مصنوعی معمولاً با روشی به نام شیمی فسفورامیدیت انجام میشود. این روش به حلالهای خطرناک و تجهیزات تخصصی نیاز دارد و همین موضوع باعث میشود برخی آزمایشگاهها که منابع کافی ندارند، امکان استفاده گسترده از آن را نداشته باشند.
اکنون پژوهشی تازه که در مجله Nature Electronics توسط دانشمندان دانشگاه هاروارد منتشر شده، روشی جدید برای ساخت DNA معرفی میکند که بر پایه ابزارهای نوآورانه طراحی گردیده است. این شیوه از روش ملایمتر و دوستدار محیط زیستتری با نام سنتز آنزیمی DNA استفاده میکند و به جای تکیه بر مواد شیمیایی، بیشتر از آب بهره میبرد؛ رویکردی که شباهت بیشتری به فرآیند طبیعی ساخت DNA در سلولهای زنده دارد.
تراشهای که ساخت چندین توالی DNA را همزمان ممکن میکند
#دانشمندان با استفاده از یک تراشه سیلیکونی که توانایی کنترل جریانهای الکتریکی در نقاط مشخص را دارد، موفق شدند ۶۴ توالی متفاوت DNA را بهطور همزمان تولید کنند. هر یک از این توالیها شامل ۳۹ نوکلئوتید بود.
این نتیجه بسیار فراتر از روشهای قبلی سنتز آنزیمی DNA است که تنها توانایی تولید حدود ۱۲ توالی را داشتند. به همین دلیل، این فناوری میتواند گامی مهم برای تبدیل شدن سنتز آنزیمی به جایگزینی واقعی برای روش شیمیایی فسفورامیدیت باشد.
وو-بین جونگ از دانشگاه پوهانگ، یکی از نویسندگان این تحقیق، در بیانیهای گفت:
ما در ذخیرهسازی داده با DNA به سنتز DNA در مقیاسی بسیار بزرگتر از نیازهای امروزی احتیاج داریم. به همین دلیل سنتز آنزیمی در محیط آبی اهمیت پیدا میکند. اگر بتوان تعداد بسیار بیشتری از ۶۴ توالی را بهصورت موازی تولید کرد، این روش میتواند مسیری سازگار با محیط زیست برای نوشتن اطلاعات روی DNA در مقیاس بسیار گسترده فراهم سازد.
در ابتدا این تراشه با هدف تولید DNA طراحی نشده بود. یک دانشجوی دکترا در آزمایشگاه دونهی هام در دانشگاه هاروارد، که نویسنده ارشد این مطالعه محسوب میشود، نخستین بار این تراشه را برای ثبت فعالیت الکتریکی گروهی از نورونها توسعه داده بود.
اما پس از آنکه برخی از الکترودهای سطحی تراشه بازطراحی شدند، کنترل دقیق جریان الکتریکی آن امکان ایجاد شرایط شیمیایی لازم برای ساخت DNA را نیز فراهم کرد. دونهی هام درباره ویژگی اصلی این تراشه توضیح داد:
یکی از ویژگیهای تعیینکننده این تراشه، تزریق دقیق جریان الکتریکی بود که از آن برای نفوذپذیر کردن غشاهای نورونی و دسترسی به بخشهای داخلی سلول استفاده میکردیم. در مقطعی این پرسش برای ما مطرح شد که آیا همین کنترل جریان میتواند از سلولها به مولکولها منتقل شود یا نه؛ بهگونهای که الکترودهای مخصوص نورون با جفت الکترودهای حلقهای جایگزین شوند و بتوانند مقدار pH را برای سنتز DNA در نقاط مشخص کنترل کنند. این روش موفق شد.
البته استفاده از DNA بهعنوان یک روش ذخیرهسازی اطلاعات، نیازمند افزایش چشمگیر مقیاس این فناوری است. به همین دلیل پژوهشگران بررسی کردند که آیا میتوان محلهای سنتز روی تراشه را به یکدیگر نزدیکتر کرد و تعداد بیشتری توالی DNA را بهصورت همزمان ساخت یا خیر. پاسخ این بررسی هم مثبت بود و هم محدودیتهایی داشت.
محدودیت شیمیایی در مسیر توسعه فناوری
#این تراشه توانست وعده خود درباره ایجاد محیطهایی با pH پایین و کنترلشده در نقاط مشخص را عملی کند، اما فرآیند شیمیایی موسوم به محافظزدایی با مشکل مواجه شد.
در این مرحله، گروههای محافظ موقتی که از بخشهای واکنشپذیر نوکلئوتیدها محافظت میکنند، باید حذف شوند. با این حال، برخی مولکولهای میانی به نقاط مجاور حرکت کردند و باعث کاهش جداسازی دقیق میان محلهای مختلف سنتز شدند. هان سه جونگ، پژوهشگر پسادکتری دانشگاه هاروارد و یکی از نویسندگان اول این مطالعه، در بیانیهای گفت:
این محدودیت از شیمی محافظزدایی ناشی میشد، نه از خود تراشه سیلیکونی. این موضوع یک مسیر روشن برای مرحله بعدی پژوهشها مشخص میکند؛ باید یک روش مستقیمتر برای محافظزدایی مبتنی بر اسید توسعه دهیم که بتواند با سرعت و دقت این تراشه هماهنگ شود.
با توجه به اینکه DNA مصنوعی در مرکز بسیاری از فناوریهای پزشکی مدرن قرار دارد، یافتن روشی پایدار و سازگار با محیط زیست برای تولید این ابزارهای زیستی، ضرورتی مهم محسوب میشود.
این تراشه جدید هنوز راه زیادی تا استفاده گسترده دارد، اما دانشمندان را یک گام دیگر به هدف تولید DNA مصنوعی در مقیاس بزرگ و استفاده از آن برای کاربردهایی مانند ذخیرهسازی داده نزدیکتر کرده است.
