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Il pH, la concentrazione di protoni in una soluzione acquosa, indica quanto sia acida la soluzione. Regola un'ampia gamma di processi chimici naturali e ingegnerizzati, inclusa la sintesi di sequenze di DNA progettate per applicazioni nella biotecnologia.
La modifica del pH in modo uniforme su un'intera soluzione a base acquosa è una pratica standard in chimica. Ma cosa accadrebbe se i ricercatori potessero creare una serie di regioni di pH localizzate in cui i protoni sono più intensamente concentrati rispetto ad altre parti della soluzione? Ciò consentirebbe loro di eseguire la chimica regolata dal pH in ciascuna di queste posizioni in parallelo, aumentando notevolmente il throughput sperimentale e accelerando i processi di sintesi del DNA, che ha applicazioni nella genomica, nella biologia sintetica, nello sviluppo di vaccini e in altre terapie e nell'archiviazione dei dati.
Ma localizzare il pH è una sfida perché i protoni si diffondono rapidamente in una soluzione a base acquosa.
Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in collaborazione con i ricercatori del Broad Institute del MIT e di Harvard, e DNA Script, una biotecnologia focalizzata sull'abilitazione della sintesi enzimatica del DNA da banco, hanno sviluppato un tecnica per controllare il pH a livello locale, creando una fitta serie di micrositi in cui la quantità di protoni è da 100 a 1000 volte superiore alla media nel resto della soluzione.
"Questo lavoro consente un'applicazione ad alto rendimento di un'ampia gamma di chimica regolata dal pH, inclusa la sintesi biomolecolare", ha affermato Donhee Ham, professore di ingegneria elettrica e fisica applicata Gordon McKay presso SEAS e co-autore senior dell'articolo.
"È stato reso possibile da una serie di celle elettrochimiche su scala micrometrica di geometria unica fabbricate e gestite da un chip di circuito integrato a semiconduttore", ha affermato Hongkun Park, Professore di Chimica e Professore di Fisica Mark Hyman Jr. e co- autore senior del documento.
La ricerca è pubblicata su Science Advances.
Il chip semiconduttore, dotato di 256 celle elettrochimiche sulla sua superficie, è direttamente interfacciato con una soluzione a base acquosa di molecole di chinone. Ogni cella ha l'aspetto di un bullseye con due anelli metallici concentrici. L'anello interno inietta una corrente nella soluzione per produrre elettrochimicamente protoni dalle molecole di chinone. Questi protoni generati localmente tentano di diffondersi ma vengono neutralizzati vicino all'anello esterno che produce elettrochimicamente molecole di base dalle molecole di chinone tirando una corrente dalla soluzione. I protoni generati localmente sono quindi intrappolati dentro e intorno al centro del bullseye, creando un microambiente acido con un pH abbassato.
"In sostanza, in ogni cella elettrochimica attivata, abbiamo creato una parete elettrochimica utilizzando l'anello esterno, che l'acido generato dall'anello interno non può penetrare", ha affermato Han Sae Jung, uno studente laureato al SEAS e co-primo autore dell'articolo . "Poiché ogni cella è controllata indipendentemente dal chip semiconduttore sottostante, possiamo abbassare il pH in qualsiasi sottoinsieme arbitrario delle 256 celle elettrochimiche che scegliamo di attivare. La struttura cellulare unica che abbiamo sviluppato sul chip elettronico a semiconduttore consente questa programmazione del pH spazio-selettivo ."
"Il nostro dispositivo non solo è in grado di localizzare e regolare con precisione il pH regolando le correnti degli anelli concentrici di ciascuna cella elettrochimica, ma può anche monitorare il pH in tempo reale utilizzando sensori di pH su chip distribuiti nell'array di celle elettrochimiche", ha affermato Woo-Bin Jung , borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore del paper. "Pertanto, possiamo creare qualsiasi modello spaziale di valori di pH target, o topografia del pH, nella soluzione acquosa, con il feedback in tempo reale dalla mappa del modello di pH spaziale che immaginiamo".
"Mentre la sintesi chimica tradizionale del DNA viene eseguita in mezzi non acquosi, la sintesi enzimatica del DNA in mezzi acquosi sta rapidamente guadagnando interesse, poiché riduce al minimo i danni molecolari e la generazione di rifiuti pericolosi e può aumentare la velocità e le prestazioni di sintesi", ha affermato Xavier Godron, CTO di DNA Script e coautore dell'articolo. "La nostra manipolazione dei modelli spaziali del pH nei mezzi acquosi può quindi portare alla sintesi del DNA enzimatico ad alto rendimento, con molte applicazioni biotecnologiche dall'ingegneria delle proteine e dallo screening degli anticorpi alla conservazione delle informazioni del DNA".
"Questo lavoro mostra la potenza degli approcci multidisciplinari che riuniscono l'elettronica dei semiconduttori, l'elettrochimica e la biologia molecolare. La tecnologia apre la strada a una gamma di applicazioni biologiche aggiuntive, comprese le librerie di oligo per la diagnostica e lo sviluppo di enzimi basati sulla biologia sintetica", ha affermato Robert Nicol, Senior Director of Technology Development presso il Broad Institute e coautore dell'articolo. "L'integrazione di queste diverse discipline ha richiesto team altamente collaborativi disposti a imparare gli uni dagli altri in tutto il settore e il mondo accademico".
Altri coautori della ricerca includono Jun Wang, Jeffrey Abbott, Adrian Horgan, Maxime Fournier, Henry Hinton e Young-Ha Hwang. + Esplora ulteriormente
