Científicos de Harvard crean un chip de silicio que escribe ADN de forma simultánea

Los chips de silicio han sido la base de la computación moderna durante décadas. Sin embargo, un equipo de investigadores de Harvard ha encontrado una nueva aplicación para ellos en la biotecnología. En un estudio reciente publicado en Nature Electronics, el equipo presentó un chip de silicio capaz de sintetizar simultáneamente 64 secuencias de ADN. Este avance representa un cambio significativo respecto a los métodos tradicionales, que suelen depender de procesos químicos intensivos en disolventes.

El dispositivo utiliza un enfoque enzimático basado en agua, donde corrientes eléctricas cuidadosamente controladas activan reacciones de construcción de ADN en ubicaciones específicas del chip. La investigación fue liderada por Donhee Ham, profesor de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en la Escuela John A. Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas.

Un método más limpio para fabricar ADN

La síntesis de ADN sintético es fundamental en múltiples áreas de la ciencia y la medicina moderna, incluyendo diagnósticos y ingeniería genética. La mayoría del ADN personalizado se produce actualmente mediante química de fosforamidito, un método bien establecido pero que utiliza disolventes orgánicos peligrosos y requiere instalaciones centralizadas especializadas.

El enfoque enzimático ha sido explorado como una alternativa más suave, ya que utiliza agua y se asemeja más a la forma en que las células vivas construyen ADN naturalmente. Sin embargo, hasta ahora, los métodos enzimáticos habían estado limitados en cuanto al número de secuencias de ADN que podían producir simultáneamente, con demostraciones previas limitadas a aproximadamente una docena de secuencias. El chip del equipo de Harvard logró sintetizar 64 secuencias diferentes de ADN en paralelo, cada una de hasta 39 nucleótidos, estableciendo un nuevo hito para la tecnología.

Cómo escribe ADN el chip de silicio

La construcción del ADN se realiza un nucleótido a la vez. Después de añadir cada nucleótido, se coloca un grupo bloqueante temporal que impide el crecimiento adicional. Antes de que se pueda adjuntar el siguiente nucleótido, este grupo debe ser eliminado mediante un proceso llamado deprotección, que se activa en condiciones ácidas o de bajo pH en agua.

El chip de Harvard logra producir múltiples secuencias diferentes al bajar el pH solo en ubicaciones seleccionadas durante cada ciclo de síntesis, utilizando pequeñas corrientes eléctricas. Su superficie tiene 64 sitios de síntesis, cada uno con dos electrodos en forma de anillo que rodean moléculas de ADN ancladas en el centro. Cuando se activa un sitio específico, el electrodo interno genera protones que bajan el pH local y permiten que la cadena de ADN crezca, mientras que el electrodo externo elimina protones que se dispersan hacia afuera, manteniendo la región ácida confinada a ese único sitio.

Al repetir este proceso a través de múltiples ciclos, el chip construye independientemente 64 secuencias únicas de ADN en su superficie.

De la investigación cerebral a la síntesis de ADN

Curiosamente, el chip no fue diseñado originalmente para fabricar ADN. Jeffrey Abbott, un ex estudiante de doctorado en el laboratorio de Ham, desarrolló inicialmente la electrónica de silicio para registrar la actividad eléctrica dentro de grandes poblaciones de neuronas. Tras rediseñar los electrodos de la superficie, los investigadores descubrieron que la misma tecnología subyacente podía controlar con precisión las condiciones químicas necesarias para la síntesis de ADN.

Según Ham, "Una característica definitoria del chip fue la inyección de corriente precisa, que utilizamos para permeabilizar las membranas neuronales para el acceso intracelular. En un momento, nos preguntamos si ese mismo control de corriente podría redirigirse de las células a las moléculas, reemplazando los electrodos orientados a neuronas por pares de electrodos en anillo que pudieran localizar el pH para la síntesis de ADN. Y funcionó".

El almacenamiento de datos en ADN podría ser una aplicación futura

Más allá de las aplicaciones potenciales en biología sintética y diagnósticos médicos, el equipo demostró otra posibilidad al usar las 64 secuencias de ADN sintetizadas para codificar un texto de 169 bytes. Aunque el almacenamiento de datos basado en ADN sigue siendo un objetivo a largo plazo, ya que requeriría fabricar ADN a gran escala, los investigadores creen que la síntesis enzimática basada en agua podría volverse cada vez más atractiva a medida que aumenten los volúmenes de producción. La reducción del uso de disolventes podría disminuir significativamente el impacto ambiental de la fabricación de ADN a gran escala.

La química es el próximo obstáculo

Los investigadores también quisieron determinar cuánto más podría escalarse el chip. Fabricaron chips con sitios de síntesis más cercanos entre sí, con la esperanza de aumentar el número de secuencias de ADN producidas simultáneamente. Sin embargo, el experimento no tuvo éxito, pero reveló una importante conclusión: el chip confinó con precisión el bajo pH a los lugares deseados, mientras que la limitación real provenía de la química utilizada durante la deprotección.

En lugar de eliminar directamente los grupos bloqueantes, el bajo pH genera moléculas intermedias que realizan el paso de deprotección. Estas moléculas intermedias pueden desviarse hacia sitios de síntesis vecinos, reduciendo la separación entre reacciones a pesar de que el pH se mantenga controlado.

Como explicó Han Sae Jung, coautor del estudio, "El chip hizo lo que le pedimos: localizó el bajo pH en sitios seleccionados. La limitación vino de la química de deprotección, no del silicio. Eso deja un claro siguiente paso para el campo: desarrollar una química de deprotección más directa impulsada por ácidos que pueda mantener el ritmo con el chip".

Colaboración y apoyo a la investigación

El proyecto fue una colaboración entre investigadores de Harvard, el Broad Institute, DNA Script y posteriormente POSTECH. La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha presentado propiedad intelectual relacionada con la plataforma. El estudio se titula "Síntesis enzimática paralela de ADN utilizando un chip semiconductores".

La investigación fue apoyada en parte por la Oficina del Director de Inteligencia Nacional (ODNI), la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia (IARPA), a través del proyecto 2019-19081900002, Horizon Europe, proyecto Hyperion ID: 101115253, y el Centro de Financiación e Incubación de Samsung Research para Tecnología Futura de Samsung Electronics bajo el Número de Proyecto SRFC-IT2402-09.

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