Wissenschaftler der Harvard-Universität haben einen Siliziumchip in eine Maschine zum Schreiben von DNA verwandelt
Forscher der Harvard-Universität haben einen Siliziumchip entwickelt, der mithilfe von Wasser und elektrischem Strom 64 verschiedene DNA-Sequenzen gleichzeitig schreiben kann und damit eine umweltfreundlichere Alternative zu dem heute üblichen, chemikalienintensiven Verfahren darstellt
Synthetische DNA bildet die Grundlage für weite Teile der modernen Medizin und Wissenschaft – Diagnostik, Genomtechnik, Krebsforschung – und all dies hängt davon ab, dass maßgeschneiderte DNA-Sequenzen auf Bestellung hergestellt werden können.
Die gängige Vorgehensweise basiert auf einem bekannten chemischen Verfahren, das in großem Maßstab funktioniert. Allerdings kommen dabei gefährliche organische Lösungsmittel zum Einsatz, und der Prozess muss in speziellen, zentralisierten Anlagen durchgeführt werden, was einschränkt, wer ihn wo durchführen kann.
Wissenschaftler interessieren sich schon seit einiger Zeit für die enzymatische DNA-Synthese als Alternative dazu. Bei diesem Verfahren, bei dem Wasser zum Einsatz kommt, ähnelt der Ablauf eher der natürlichen DNA-Bildung in lebenden Zellen; bei früheren Versuchen war es jedoch nur gelungen, etwa ein Dutzend Sequenzen gleichzeitig zu erzeugen.
Eine neue Studie unter der Leitung eines Forschungsteams der Harvard-Universität hat diese Zahl nun jedoch auf 64 erhöht – wobei jede Kette bis zu 39 Nukleotide lang ist –, und zwar mithilfe eines Siliziumchips und sorgfältig gesteuerter elektrischer Ströme.
Ein Chip, der ursprünglich zur Erforschung von Neuronen entwickelt wurde
Das Interessante an diesem Chip ist, dass er ursprünglich gar nicht für DNA entwickelt wurde – er wurde ursprünglich von Jeffrey Abbott, einem ehemaligen Doktoranden im Labor von Donhee Ham an der Harvard School of Engineering, entwickelt, um die elektrische Aktivität in großen Populationen von Gehirnzellen aufzuzeichnen. Nach einer Neugestaltung der Oberflächenelektroden erkannte das Team, dass dieselbe präzise Stromsteuerung von Neuronen auf Moleküle übertragen werden konnte.
„Irgendwann haben wir uns gefragt, ob sich diese Stromsteuerung von den Zellen auf die Moleküle umlenken ließe, indem man die auf die Neuronen gerichteten Elektroden durch Ringelektrodenpaare ersetzt, mit denen sich der pH-Wert für die DNA-Synthese lokalisieren lässt“, sagte Ham. „Es hat funktioniert.“
Die Oberfläche des Chips verfügt über 64 Synthesestellen, an denen jeweils zwei konzentrische Ringelektroden verankerte DNA-Moleküle umgeben. Wird eine Stelle aktiviert, erzeugt die innere Elektrode Protonen, die den lokalen pH-Wert senken und die Anlagerung des nächsten Bausteins auslösen.
Die äußere Elektrode fängt alle nach außen driftenden Protonen auf und sorgt so dafür, dass die Reaktion auf diese einzelne Stelle beschränkt bleibt. Durch die Wiederholung dieses Vorgangs über mehrere Zyklen hinweg werden 64 einzigartige Sequenzen unabhängig voneinander aufgebaut.
Wo die Chemie zum Engpass wird
Das Team versuchte zudem, die Bindungsstellen enger beieinander anzuordnen, um den Prozess weiter zu skalieren, und obwohl es dem Chip selbst gelang, den pH-Wert präzise einzuschränken, versagte die Chemie. Der Schritt der Entschützung – bei dem zwischen jeder Aufbaurunde eine Blockierungsgruppe entfernt wird – erzeugt Zwischenmoleküle, die in benachbarte Bindungsstellen wandern und unerwünschte Reaktionen auslösen können, was den möglichen Abstand zwischen den Bindungsstellen begrenzt.
„Der Chip hat genau das getan, was wir von ihm erwartet hatten: Er hat an ausgewählten Stellen einen niedrigen pH-Wert lokalisiert“, sagte der Co-Erstautor Han Sae Jung. „Die Einschränkung ergab sich aus der Chemie des Entschützungsvorgangs, nicht aus dem Silizium.“
Die Forscher nutzten ihre 64 Sequenzen zudem, um einen 169-Byte-Text zu kodieren – als Proof-of-Concept für die Datenspeicherung in DNA, die nach wie vor ein langfristiges Ziel darstellt, da DNA als Speichermedium außerordentlich kompakt und langlebig ist.
Ein weiterer Mitautor der Studie, Woo-Bin Jung, erklärte, dass die enzymatische Synthese in Wasser, sollte es gelingen, die parallele Synthese weit über 64 Sequenzen hinaus zu skalieren, „einen umweltfreundlichen Weg zur Herstellung von DNA in sehr großem Maßstab bieten könnte“.
Dennoch müsse die Chemie erst noch mit der Chip-Technologie gleichziehen, bevor dies möglich werde, sagte er.
Artikelreferenz
Harvard SEAS via ScienceDaily. (2026). Harvard scientists turn a silicon chip into a DNA writing machine.