Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
pH – koncentrationen av protoner i en vattenhaltig lösning – indikerar hur sur lösningen är. Den reglerar ett brett spektrum av naturliga och konstruerade kemiska processer, inklusive syntesen av designade DNA-sekvenser för tillämpningar inom bioteknik.
Att ändra pH enhetligt över en hel vattenbaserad lösning är en standardpraxis inom kemi. Men vad händer om forskare kunde skapa en rad lokala pH-regioner där protoner är mer intensivt koncentrerade än i andra delar av lösningen? Detta skulle göra det möjligt för dem att utföra pH-reglerad kemi på var och en av dessa platser parallellt, dramatiskt öka den experimentella genomströmningen och påskynda processer i DNA-syntes, som har tillämpningar inom genomik, syntetisk biologi, vaccinutveckling och andra terapier och datalagring.
Men att lokalisera pH är en utmaning eftersom protoner sprids ut snabbt i en vattenbaserad lösning.
Nu har forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), i samarbete med forskare vid Broad Institute of MIT och Harvard, och DNA Script, en bioteknik inriktad på att möjliggöra benchtop enzymatisk DNA-syntes, utvecklat en teknik för att kontrollera pH på lokal nivå, vilket skapar en tät samling av mikrositer där mängden protoner är 100 till 1000 gånger högre än genomsnittet i resten av lösningen.
"Detta arbete möjliggör en högeffektiv tillämpning av ett brett spektrum av pH-reglerad kemi, inklusive biomolekylär syntes", säger Donhee Ham, Gordon McKay professor i elektroteknik och tillämpad fysik vid SEAS och medförfattare till artikeln.
"Det möjliggjordes av en rad elektrokemiska celler i mikrometerskala med unik geometri tillverkade på och drivs av ett integrerat halvledarkretschip", säger Hongkun Park, professor i kemi och professor i fysik från Mark Hyman Jr. senior författare av tidningen.
Forskningen publiceras i Science Advances.
Halvledarchippet, med 256 elektrokemiska celler på sin yta, är direkt kopplat till en vattenbaserad lösning av kinonmolekyler. Varje cell ser ut som en bullseye med två koncentriska metallringar. Den inre ringen injicerar en ström i lösningen för att elektrokemiskt producera protoner från kinonmolekyler. Dessa lokalt genererade protoner försöker sprida sig men neutraliseras nära den yttre ringen som elektrokemiskt producerar basmolekyler från kinonmolekyler genom att dra en ström från lösningen. De lokalt genererade protonerna fångas således i och runt mitten av bullseye, vilket skapar en sur mikromiljö med ett sänkt pH.
"I huvudsak, i varje aktiverad elektrokemisk cell sätter vi upp en elektrokemisk vägg med hjälp av den yttre ringen, som syran som genereras av den inre ringen inte kan penetrera", säger Han Sae Jung, doktorand vid SEAS och medförfattare till uppsatsen . "Eftersom varje cell styrs oberoende av det underliggande halvledarchippet kan vi sänka pH vid vilken godtycklig delmängd som helst av de 256 elektrokemiska cellerna vi väljer att aktivera. Den unika cellstrukturen vi har utvecklat på det elektroniska halvledarchippet möjliggör denna rumsliga selektiva pH-programmering ."
"Vår enhet kan inte bara lokalisera och justera pH genom att justera strömmarna i de koncentriska ringarna i varje elektrokemisk cell, utan kan också övervaka pH i realtid med hjälp av pH-sensorer på chipet fördelade över den elektrokemiska celluppsättningen", säger Woo-Bin Jung , en postdoktor vid SEAS och medförfattare till uppsatsen. "Därför kan vi skapa alla rumsliga mönster av mål-pH-värden, eller pH-topografi, i den vattenhaltiga lösningen, med realtidsfeedback från kartan över det rumsliga pH-mönstret vi avbildar."
"Medan traditionell kemisk DNA-syntes görs i icke-vattenhaltiga medier, ökar enzymatisk DNA-syntes i vattenhaltiga medier snabbt intresse, eftersom det minimerar molekylär skada och generering av farligt avfall och kan öka syntesens hastighet och prestanda", säger Xavier Godron, CTO för DNA Script och en medförfattare till tidningen. "Vår manipulation av rumsliga pH-mönster i vattenhaltiga medier kan således leda till enzymatisk DNA-syntes med hög genomströmning, med många bioteknologiska tillämpningar från proteinteknik och antikroppsscreening till lagring av DNA-information."
"Detta arbete visar kraften i multidisciplinära tillvägagångssätt som sammanför halvledarelektronik, elektrokemi och molekylärbiologi. Tekniken banar väg för en rad ytterligare biologiska tillämpningar inklusive oligobibliotek för diagnostik och syntetisk biologi-baserad enzymutveckling", säger Robert Nicol, Senior Director of Technology Development vid Broad Institute och medförfattare till tidningen. "Att integrera dessa olika discipliner krävde mycket samarbetande team som var villiga att lära av varandra inom industrin och akademin."
Andra medförfattare till forskningen inkluderar Jun Wang, Jeffrey Abbott, Adrian Horgan, Maxime Fournier, Henry Hinton och Young-Ha Hwang. + Utforska vidare
