Harvard trasforma i chip di silicio in fabbriche di DNA ecologico senza solventi pericolosi

Il mondo della tecnologia e quello della biologia si sono appena fusi in un esperimento che potrebbe cambiare la produzione industriale. I tradizionali chip di silicio, che da oltre mezzo secolo muovono computer e smartphone, hanno dimostrato di poter fare qualcosa di completamente diverso: fabbricare molecole di DNA utilizzando solo acqua ed elettricità.

La scoperta arriva da un team di ricerca della Harvard University guidato dal professor Donhee Ham. Lo studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista Nature Electronics, descrive lo sviluppo di un microchip capace di sintetizzare ben 64 sequenze diverse di DNA in parallelo. Il processo abbandona i solventi chimici pericolosi a favore di un metodo enzimatico a base acquosa, controllato da microscopiche correnti elettriche.

Le ricadute economiche di questa svolta potrebbero essere enormi. Oggi la produzione di DNA sintetico è centralizzata in enormi stabilimenti che utilizzano la chimica della fosforamidite. Questa tecnica richiede grandi quantità di solventi organici tossici. Spostare la produzione su microchip significa poter creare dispositivi per la scrittura del DNA da tavolo, sicuri, economici e installabili in qualsiasi laboratorio o azienda bio-tech.

Come funziona il microchip biologico

La sintesi del DNA avviene aggiungendo un mattoncino (nucleotide) alla volta. In natura, le cellule lo fanno spontaneamente in un ambiente acquoso. In laboratorio, invece, ogni volta che si aggiunge un frammento serve un gruppo di blocco temporaneo per evitare che la catena cresca in modo incontrollato.

Per inserire il nucleotide successivo, questo blocco deve essere rimosso tramite un processo chiamato deprotezione. La deprotezione richiede un ambiente acido con un pH molto basso. La vera sfida tecnica affrontata dagli scienziati è stata quella di controllare l’acidità sul chip in modo millimetrico, senza influenzare le zone vicine.

Schema di funzionamento della produzione di DNa da Chip, da ScienceDaily

Il chip sviluppato ad Harvard gestisce questa complessità grazie alla precisione elettrica. La superficie ospita una griglia di siti di sintesi, ognuno dotato di una coppia di elettrodi ad anello concentrici:

• Anello interno: immette corrente elettrica per generare protoni, abbassando il pH e attivando la crescita del DNA solo in quel punto.
• Anello esterno: assorbe i protoni in eccesso che tentano di scappare, neutralizzando l’acidità prima che questa tocchi i siti vicini.

Dalla neurologia alla bio-fabbricazione

La storia di questo chip mostra come la tecnologia possa essere riutilizzata con creatività. Inizialmente, la piattaforma era stata progettata nei laboratori di Harvard per registrare i segnali elettrici all’interno dei neuroni e mappare le connessioni sinaptiche del cervello.

I ricercatori hanno intuito che la stessa straordinaria precisione usata per stimolare le membrane cellulari poteva essere applicata alle molecole. Modificando la geometria degli elettrodi in superficie, il controllo della corrente è stato così dirottato dai neuroni alla gestione del pH per la sintesi molecolare.

Il futuro dello stoccaggio dati nel DNA

Per dimostrare le potenzialità del chip, il team ha codificato all’interno delle 64 sequenze di DNA un testo digitale di 169 byte. Questo rappresenta un passo concreto verso l’archiviazione dei dati basata sul DNA.

I supporti digitali attuali (hard disk e server) occupano molto spazio e consumano enormi quantità di energia per il raffreddamento. Il DNA può conservare informazioni per migliaia di anni in uno spazio microscopico.

La tabella seguente mostra il confronto tra i due modelli di produzione industriale del DNA:

Se la sintesi enzimatica su chip supererà l’attuale limite delle 64 sequenze, la produzione di supporti di memoria biologici diventerà economicamente sostenibile su larga scala.

L’ostacolo chimico da superare

Nonostante il successo, la ricerca ha fatto emergere un limite inatteso. Quando gli scienziati hanno provato a stringere la griglia del chip per inserire più siti di sintesi in meno spazio, il sistema ha smesso di funzionare correttamente.

L’errore non dipendeva dall’elettronica del chip, che manteneva l’acidità perfettamente isolata. Il problema risiede nella chimica della deprotezione. L’acido non rimuove direttamente il blocco della catena di DNA, ma crea delle molecole intermedie. Queste molecole si spostano, migrando nei siti adiacenti e attivando reazioni non volute. Insomma nella piccola scala il sistema non funziona, si inceppa.

Il prossimo passo per i biologi sarà quindi sviluppare una chimica di deprotezione più diretta e immediata, capace di restare al passo con la velocità e la densità dei moderni chip al silicio. Quindi il DNA potrà essere creato in modo efficiente ed utilizzato anche per salvare informazioni.

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