Chip silikon telah menjadi dasar komputasi modern selama beberapa dekade. Saat ini, para peneliti memberi mereka peran baru dalam bioteknologi. Selain memproses informasi, chip ini semakin banyak digunakan untuk mempelajari sistem kehidupan dengan merekam aktivitas neuron, membaca DNA, dan kini bahkan membuat DNA.
Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan di Elektronik alamitim peneliti yang dipimpin Harvard telah meluncurkan chip silikon yang mampu mensintesis 64 rangkaian DNA berbeda pada saat yang bersamaan. Alih-alih mengandalkan proses kimia yang banyak mengandung pelarut yang biasa digunakan untuk membuat DNA sintetik, perangkat ini menggunakan pendekatan enzimatik berbasis air. Arus listrik yang dikontrol dengan cermat memicu reaksi pembentukan DNA di lokasi tertentu pada chip.
Penelitian ini dipimpin oleh Donhee Ham, Profesor Teknik dan Sains Terapan John A. dan Elizabeth S. Armstrong di Sekolah Teknik dan Sains Terapan John A. Paulson (SEAS).
Cara yang lebih bersih untuk membuat DNA
DNA sintetik sangat penting dalam banyak bidang sains dan kedokteran modern, termasuk diagnostik, rekayasa genom, dan penelitian kanker. Saat ini, sebagian besar DNA yang dipersonalisasi diproduksi menggunakan kimia fosforamidit, sebuah metode mapan yang memungkinkan jutaan rangkaian DNA dibuat secara paralel. Namun, proses ini bergantung pada pelarut organik berbahaya dan biasanya memerlukan fasilitas khusus yang terpusat.
Para ilmuwan telah mengeksplorasi sintesis DNA enzimatik sebagai alternatif yang lebih lembut karena menggunakan air dan lebih mirip dengan cara sel hidup secara alami membangun DNA. Pendekatan ini pada akhirnya memungkinkan terciptanya sistem sintesis DNA yang lebih kecil, lebih aman, dan lebih banyak tersedia.
Namun, hingga saat ini, metode enzimatik tertinggal jauh dibandingkan manufaktur konvensional dalam hal jumlah rangkaian DNA yang dapat dihasilkan secara bersamaan. Protes sebelumnya terbatas pada selusin rangkaian aksi dalam satu waktu. Chip tim Harvard berhasil mensintesis 64 rangkaian DNA berbeda secara paralel, masing-masing terdiri dari 39 nukleotida, sehingga menetapkan tonggak sejarah baru bagi teknologi ini.
Bagaimana chip silikon menulis DNA
DNA dirakit satu nukleotida pada satu waktu. Setelah setiap nukleotida ditambahkan, kelompok penghambat sementara mencegah pertumbuhan lebih lanjut. Sebelum nukleotida berikutnya dapat menempel, gugus penghambat ini harus dihilangkan melalui proses yang disebut deproteksi, yang dipicu oleh kondisi asam atau pH rendah dalam air.
Memproduksi banyak rangkaian DNA yang berbeda secara bersamaan memerlukan penurunan pH hanya di lokasi tertentu selama setiap siklus sintesis. Chip Harvard mencapai hal ini dengan menggunakan arus listrik kecil.
Permukaannya mengandung 64 situs sintesis. Setiap situs memiliki dua elektroda cincin konsentris yang mengelilingi molekul DNA yang berlabuh secara terpusat. Ketika lokasi tertentu diaktifkan, elektroda internal menghasilkan proton yang menurunkan pH lokal dan memungkinkan untai DNA tumbuh. Pada saat yang sama, elektroda eksternal menghilangkan proton yang merambat ke luar, sehingga menjaga daerah asam tetap terbatas pada satu lokasi saja.
Dengan mengulangi proses ini selama beberapa siklus, chip tersebut secara mandiri membangun 64 rangkaian DNA unik di permukaannya.
Dari penelitian otak hingga sintesis DNA
Menariknya, chip tersebut awalnya tidak dirancang untuk membuat DNA.
Jeffrey Abbott, mantan mahasiswa doktoral di laboratorium Ham, awalnya mengembangkan elektronik silikon untuk merekam aktivitas listrik di dalam populasi neuron yang besar. Setelah mendesain ulang elektroda permukaan, para peneliti menemukan bahwa teknologi dasar yang sama dapat secara tepat mengontrol kondisi kimia yang diperlukan untuk sintesis DNA.
“Fitur yang menentukan dari chip ini adalah injeksi arus presisi, yang kami gunakan untuk menembus membran saraf untuk akses intraseluler,” kata Ham. “Pada satu titik, kami bertanya-tanya apakah kontrol arus yang sama dapat dialihkan dari sel ke molekul, menggantikan elektroda yang menghadap neuron dengan pasangan elektroda cincin yang dapat melokalisasi pH untuk sintesis DNA. Ini berhasil.”
Penyimpanan data DNA bisa menjadi aplikasi masa depan
Selain penerapan potensial dalam biologi sintetik dan diagnostik medis, tim tersebut menunjukkan kemungkinan lain dengan menggunakan 64 rangkaian DNA yang disintesis untuk menyandikan teks berukuran 169 byte.
Meskipun penyimpanan data berbasis DNA tetap menjadi tujuan jangka panjang karena memerlukan produksi DNA skala besar, para peneliti yakin sintesis enzimatik berbasis air akan menjadi semakin menarik seiring dengan peningkatan volume produksi. Mengurangi penggunaan pelarut dapat secara signifikan mengurangi dampak lingkungan dari pembuatan DNA skala besar.
“Menyimpan data DNA memerlukan sintesis DNA untuk beroperasi pada skala yang jauh melampaui kebutuhan saat ini,” kata Woo-Bin Jung, salah satu penulis pertama studi tersebut dan sekarang menjadi asisten profesor teknik kimia di Universitas Sains dan Teknologi Pohang (POSTECH), yang melakukan pekerjaan tersebut sebagai peneliti pascadoktoral di laboratorium Ham. “Inilah mengapa sintesis enzimatik dalam air menjadi penting. Jika lebih dari 64 rangkaian dapat disintesis secara paralel, hal ini dapat menawarkan jalur ramah lingkungan untuk menulis DNA dalam skala yang sangat besar.”
Kimia adalah rintangan berikutnya
Para peneliti juga ingin mengetahui seberapa baik skala chip tersebut. Mereka membuat chip dengan lokasi sintesis yang berjarak dekat, dengan harapan dapat meningkatkan jumlah rangkaian DNA yang dihasilkan secara bersamaan.
Eksperimen tersebut tidak berhasil, namun mengungkapkan sesuatu yang penting. Chip itu sendiri secara tepat membatasi pH rendah pada lokasi yang dituju. Keterbatasan sebenarnya berasal dari bahan kimia yang digunakan selama deproteksi.
Daripada menghilangkan gugus penghambat secara langsung, pH rendah menghasilkan molekul perantara yang melakukan langkah deproteksi. Molekul perantara ini dapat berpindah ke lokasi sintesis di dekatnya, mengurangi pemisahan antar reaksi meskipun pH tetap dikontrol dengan ketat.
“Chip ini melakukan apa yang kami minta: Ini melokalisasi pH rendah di lokasi tertentu,” kata Han Sae Jung, salah satu penulis pertama studi tersebut dan mantan mahasiswa pascasarjana dan peneliti pascadoktoral saat ini di Harvard. “Keterbatasan datang dari bahan kimia deproteksi, bukan silikon. Hal ini menyisakan langkah jelas berikutnya dalam bidang ini: mengembangkan bahan kimia deproteksi yang lebih langsung digerakkan oleh asam yang dapat mengimbangi chip tersebut.”
Kolaborasi dan dukungan penelitian
Proyek ini merupakan kolaborasi antara peneliti dari Harvard, Broad Institute, DNA Script dan kemudian POSTECH. Kantor Pengembangan Teknologi Harvard telah mengajukan permohonan kekayaan intelektual terkait dengan platform tersebut. Penelitian tersebut diberi judul “Sintesis DNA enzimatik paralel menggunakan chip semikonduktor.”
Penelitian ini sebagian didukung oleh Kantor Direktur Intelijen Nasional (ODNI), Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), melalui 2019-19081900002, Horizon Europe, Hyperion project ID: 101115253, dan Samsung Research Funding & Incubation Center for Future Technology of Samsung Electronics dengan nomor proyek SRFC-IT2402-09.
