4 دقیقه
ریزتراشهای را تصور کنید که فراتر از محاسبه عمل میکند: حروف حیات را کنار هم میچیند. جریانهای بسیار کوچک، آب خالص و آنزیمها جای مخازن حلالهای سمی را میگیرند. نتیجه، سطحی سیلیکونی است که میتواند همزمان رشتههای گوناگون دیانای را بنویسد.
مهندسان هاروارد تراشهای را که زمانی برای شنود فعالیت نورونها به کار میرفت، بازطراحی کردند و آن را به یک کارگاه شیمیایی تبدیل کردند. در هر یک از ۶۴ نقطه سنتز روی تراشه، الکترودهای حلقهای هممرکز شیمی موضعی را هدایت میکنند. با عبور جریان از حلقه داخلی، پروتونها تولید میشوند تا پیاچ را درست در جایی که رشته دیانای قرار دارد کاهش دهند. سپس حلقه بیرونی در جهت مخالف فعال میشود و اسیدیته سرگردان را پیش از آنکه به نقطه مجاور برسد، جمعآوری میکند. ظرافت کار در دقت جراحیگونه آن است: اسیدیسازی موضعی مراحل آنزیمی را پیش میبرد تا نوکلئوتیدها یکییکی افزوده شوند و حلقهها این واکنشها را محدود نگه میدارند تا جایگاههای کنار هم در کار یکدیگر اختلال ایجاد نکنند.
این تراشه ۶۴ توالی متمایز دیانای تولید کرد که هرکدام تا ۳۹ نوکلئوتید طول داشتند. این عدد در مقایسه با پلتفرمهای صنعتی فسفرآمیدیت که میلیونها رشته تولید میکنند، کوچک به نظر میرسد، اما برای سنتز آنزیمی مبتنی بر آب گامی تعیینکننده است. چرا این موضوع اهمیت دارد؟ چون تولید مرسوم دیانای به حلالهای آلی خطرناک و کارخانههای متمرکز وابسته است. روشهای آنزیمی در آب انجام میشوند و از همان سازوکاری الهام میگیرند که زیستشناسی برای ساخت دیانای به کار میبرد؛ مسیری که میتواند به دستگاههایی کوچکتر، ایمنتر و سازگارتر با محیطزیست منجر شود.
شیمی پشت صحنه هم ظریف است و هم سختگیر. دیانای هر بار با افزودن یک نوکلئوتید رشد میکند و پس از هر افزوده شدن، یک گروه مسدودکننده موقت جلوی ادامه امتداد را میگیرد. حذف این مسدودکننده که به آن محافظتزدایی گفته میشود، در این روش با افت موضعی پیاچ آغاز میشود. مدارهای الکترونیکی تراشه کاری میکنند که این حفرههای اسیدی کوچک فقط در نقاط موردنیاز ایجاد شوند و به این ترتیب، با فعالسازی جایگاههای مختلف در چرخههای پیاپی، سنتز موازی روی سطح امکانپذیر میشود.
با این حال، سختافزار فقط نیمی از ماجراست. وقتی گروه پژوهشی به سراغ چیدمانهای متراکمتر رفت، بخش الکترونیکی دقیقا همانطور که طراحی شده بود عمل کرد، اما شیمی آنها را غافلگیر کرد. مشخص شد که اسید بهطور مستقیم گروه مسدودکننده را جدا نمیکند. در عوض، اسید مولکولهای واسطهای میسازد که کار واقعی محافظتزدایی را انجام میدهند و این واسطهها میتوانند از جزیرههای اسیدی بسیار کوچک فراتر پخش شوند. به زبان ساده: سیلیکون میتواند اسید را محدود نگه دارد، اما شیمی پیامرسانهایی میفرستد که از مرزها میگریزند. همین ناهماهنگی روشنترین مسیر بعدی این حوزه را نشان میدهد؛ ابداع روشی برای محافظتزدایی که سریع، موضعی و بدون واسطههای متحرک عمل کند.
کاربردهای عملی این فناوری از همین حالا قابل تصور است. پژوهشگران برای نمایش ذخیرهسازی داده بر پایه دیانای، یک متن ۱۶۹ بایتی را در ۶۴ رشته سنتز شده کدگذاری کردند. پیش از این نیز ذخیره فایلهای کوچک در دیانای مصنوعی نشان داده شده بود، اما انجام آن با رویکردی سبزتر و آنزیمی نشان میدهد سامانههای ذخیرهسازی آینده چگونه میتوانند بدون افزایش پسماند شیمیایی مقیاسپذیر شوند. زیستشناسی مصنوعی و تشخیصهای آزمایشگاهی نیز در صورت گسترش سنتز مبتنی بر آب سود خواهند برد؛ قابلحمل و ایمنتر شدن دستگاههای نوشتن دیانای میتواند شیوه کار آزمایشگاهها و کلینیکها را تغییر دهد.
استفاده دوباره از یک پلتفرم ثبت سیگنالهای عصبی برای کنترل مولکول به مولکول، روندی مهم در علم امروز را نشان میدهد: ابزارهایی که برای یک حوزه ساخته شدهاند، میتوانند در حوزهای دیگر راهگشا شوند. تیم هاروارد تزریق جریان دقیق این تراشه را که زمانی برای باز کردن غشای سلولها استفاده میشد، به روشی برای شکلدهی چشماندازهای پیاچ در مقیاس میلیمتری با دقت میکرونی تبدیل کرد. این کار درسی درباره تفکر میانرشتهای و صبوری فنی لازم برای پیوند دادن مدارها و شیمی است.
البته هنوز موانعی باقی مانده است. رسیدن به حجمهای عظیمی که برای ذخیرهسازی عملی داده در دیانای یا زیستشناسی مصنوعی صنعتی لازم است، نه فقط به جایگاههای سنتز بیشتر، بلکه به شیمیهای بازطراحیشدهای نیاز دارد که با دقت فضایی تراشه سازگار باشند. با این حال، همین آزمایش چشماندازها را تغییر داده است: ریزتراشهای که دیانای را در آب مینویسد نشان میدهد چاپگرهای دیانای قابلحمل و کمپسماند دور از دسترس نیستند و ماشینهایی که برای الکترونها ساخته شدهاند، میتوانند به ساخت مولکولها واداشته شوند. اگر شیمی بتواند به سرعت سختافزار برسد، شیوه تولید مواد ژنتیکی در آینده نزدیک میتواند کاملا متفاوت شود.
.avif)
نظر بگذارید
نظرات (3)
خوبه ولی یه کم هایپ شده بنظرم. ۶۴ رشته و ۳۹ نوکلئوتید کجا، ذخیرهسازی عملی کجا؟ ایدهی سبز مهمه اما هنوز راه طولانیه.
واقعاً میشه واسطهها رو کاملا کنترل کرد؟ اگه مولکول پیامرسان فرار کنه، سنتز محلی درست کار میکنه یا همهچیز به هم میریزه؟
وااای، چه خفن! تراشهای که دیانای تو آب مینویسه، انگار آینده دست سازندههاست، ولی هیجانزدهم و نگرانم بابت مقیاسپذیری و واسطههای شیمیایی...