Cientistas de Harvard transformam um chip de silício em uma máquina de escrever DNA

Pesquisadores de Harvard transformaram um chip de silício em uma minúscula fábrica de escrita de DNA.

Por Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences com informações de Science Daily.

Os chips de silício têm sido a base da computação moderna por décadas. Agora, pesquisadores estão atribuindo a eles um papel totalmente novo na biotecnologia. Além de processar informações, esses chips estão sendo cada vez mais utilizados para estudar sistemas vivos, registrando a atividade de neurônios, lendo DNA e até mesmo criando DNA.

Em um novo estudo publicado na Nature Electronics , uma equipe de pesquisa liderada por Harvard revelou um chip de silício capaz de sintetizar 64 sequências de DNA diferentes simultaneamente. Em vez de depender do processo químico intensivo em solventes comumente usado para fabricar DNA sintético, o dispositivo utiliza uma abordagem enzimática à base de água. Correntes elétricas cuidadosamente controladas desencadeiam reações de síntese de DNA em locais específicos do chip.

Armstrong de Engenharia e Ciências Aplicadas na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS).

Uma forma mais limpa de fabricar DNA

O DNA sintético é essencial para muitas áreas da ciência e da medicina modernas, incluindo diagnósticos, engenharia genômica e pesquisa do câncer. Atualmente, a maior parte do DNA personalizado é produzida usando a química de fosforamidita, um método bem estabelecido que permite a fabricação de milhões de sequências de DNA em paralelo. No entanto, esse processo depende de solventes orgânicos perigosos e geralmente requer instalações centralizadas especializadas.

Os cientistas têm explorado a síntese enzimática de DNA como uma alternativa mais suave, pois utiliza água e se assemelha mais à forma como as células vivas constroem o DNA naturalmente. Essa abordagem poderá, eventualmente, viabilizar sistemas de síntese de DNA menores, mais seguros e mais amplamente disponíveis.

Até agora, porém, os métodos enzimáticos estavam muito atrás da fabricação convencional em termos de número de sequências de DNA que podiam produzir simultaneamente. Demonstrações anteriores se limitavam a cerca de uma dúzia de sequências por vez. O chip da equipe de Harvard sintetizou com sucesso 64 sequências de DNA diferentes em paralelo, cada uma com até 39 nucleotídeos, estabelecendo um novo marco para a tecnologia.

Como o chip de silício grava o DNA

O DNA é montado um nucleotídeo de cada vez. Após a adição de cada nucleotídeo, um grupo bloqueador temporário impede o crescimento adicional. Antes que o próximo nucleotídeo possa ser ligado, esse grupo bloqueador deve ser removido por meio de um processo chamado desproteção, que é desencadeado por condições ácidas, ou baixo pH, na água.

Produzir várias sequências de DNA diferentes ao mesmo tempo exige a redução do pH apenas em locais selecionados durante cada ciclo de síntese. O chip de Harvard consegue isso usando minúsculas correntes elétricas.

Sua superfície contém 64 sítios de síntese. Cada sítio apresenta dois eletrodos em anel concêntricos que circundam moléculas de DNA ancoradas no centro. Quando um local específico é ativado, o eletrodo interno gera prótons que reduzem o pH local e permitem o crescimento da cadeia de DNA. Simultaneamente, o eletrodo externo remove os prótons que se espalham, mantendo a região ácida confinada àquele sítio específico.

Ao repetir esse processo em múltiplos ciclos, o chip constrói de forma independente 64 sequências de DNA exclusivas em sua superfície.

Da pesquisa cerebral à síntese de DNA

Curiosamente, o chip não foi originalmente projetado para fabricar DNA.

Jeffrey Abbott, ex-aluno de doutorado no laboratório de Ham, desenvolveu inicialmente os componentes eletrônicos de silício para registrar a atividade elétrica em grandes populações de neurônios. Após redesenhar os eletrodos de superfície, os pesquisadores descobriram que a mesma tecnologia subjacente poderia controlar com precisão as condições químicas necessárias para a síntese de DNA.

“Uma característica fundamental do chip era a injeção precisa de corrente, que usávamos para permeabilizar as membranas neuronais para acesso intracelular”, disse Ham. “Em certo momento, nos perguntamos se esse mesmo controle de corrente poderia ser redirecionado das células para as moléculas, substituindo os eletrodos voltados para os neurônios por pares de eletrodos em anel que pudessem localizar o pH para a síntese de DNA. E funcionou.”

O armazenamento de dados em DNA pode ser uma aplicação futura.

Além das potenciais aplicações em biologia sintética e diagnósticos médicos, a equipe demonstrou outra possibilidade ao usar as 64 sequências de DNA sintetizadas para codificar um texto de 169 bytes.

Embora o armazenamento de dados baseado em DNA continue sendo um objetivo a longo prazo, pois exigiria a produção de DNA em larga escala, os pesquisadores acreditam que a síntese enzimática em meio aquoso poderá se tornar cada vez mais atraente à medida que os volumes de produção aumentarem. A redução do uso de solventes poderia diminuir significativamente o impacto ambiental da produção de DNA em larga escala.

“O armazenamento de dados em DNA exige que a síntese de DNA opere em uma escala muito além das necessidades atuais”, disse Woo-Bin Jung, coautor principal do estudo e atualmente professor assistente de engenharia química na Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTECH), que realizou o trabalho como pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Ham. “É por isso que a síntese enzimática em água pode ser importante. Se muito mais do que 64 sequências puderem ser sintetizadas em paralelo, isso poderá oferecer uma rota ecologicamente correta para a escrita de DNA em larga escala.”

A química é o próximo obstáculo.

Os pesquisadores também queriam descobrir até que ponto o chip poderia ser ampliado. Eles fabricaram chips com locais de síntese mais próximos uns dos outros, na esperança de aumentar o número de sequências de DNA produzidas simultaneamente.

O experimento não foi bem-sucedido, mas revelou uma descoberta importante. O próprio chip confinou com precisão o pH baixo aos locais desejados. A verdadeira limitação residia na química utilizada durante a desproteção.

Em vez de remover diretamente os grupos bloqueadores, o pH baixo gera moléculas intermediárias que realizam a etapa de desproteção. Essas moléculas intermediárias podem migrar para sítios de síntese vizinhos, reduzindo a separação entre as reações, mesmo que o pH permaneça rigorosamente controlado.

“O chip fez o que pedimos: localizou o pH baixo em locais selecionados”, disse Han Sae Jung, coautor principal do estudo e ex-aluno de pós-graduação e atual pesquisador de pós-doutorado em Harvard. “A limitação veio da química de desproteção, não do silício. Isso deixa claro o próximo passo para a área: desenvolver uma química de desproteção mais direta, impulsionada por ácido, que possa acompanhar o chip.”

Apoio à colaboração e à pesquisa

O projeto foi uma colaboração entre pesquisadores de Harvard, do Broad Institute, da DNA Script e, posteriormente, da POSTECH. O Escritório de Desenvolvimento Tecnológico de Harvard registrou a propriedade intelectual relacionada à plataforma. O estudo intitula-se “Síntese enzimática paralela de DNA usando um chip semicondutor”.

A pesquisa foi parcialmente financiada pelo Gabinete do Diretor de Inteligência Nacional (ODNI), Atividade de Projetos de Pesquisa Avançada de Inteligência (IARPA), por meio do projeto 2019-19081900002, Horizonte Europa, projeto Hyperion ID: 101115253, e Centro de Financiamento e Incubação de Pesquisa para Tecnologias Futuras da Samsung Electronics, sob o número de projeto SRFC-IT2402-09.

Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson de Harvard. Observação: o conteúdo pode ser editado para adequação ao estilo e tamanho.

Referência do periódico :
Woo-Bin Jung, Han Sae Jung, Jun Wang, Henry Hinton, Seok Joo Kim, Yuchang Zhang, Suyue Chen, Young-Ha Hwang, Maxime Fournier, Manon Boul, Kevin Grosselin, Adrian Horgan, Xavier Godron, Robert Nicol, Donhee Ham. Parallel enzymatic DNA synthesis using a semiconductor chip. Nature Electronics, 2026; DOI: 10.1038/s41928-026-01662-9