قام علماء جامعة هارفارد بتحويل شريحة السيليكون إلى مصنع للحمض النووي

قام علماء جامعة هارفارد ببناء شريحة سيليكون يمكنها الكتابة الحمض النووي باستخدام الكهرباء والماء، مما يشير إلى مستقبل أنظف لتصنيع الحمض النووي والتكنولوجيا الحيوية.

لقد قادت رقائق السيليكون ثورة الحوسبة لأكثر من 50 عامًا. والآن، يجد الباحثون طرقًا جديدة لاستخدامها في علم الأحياء، بما في ذلك مراقبة مجموعات كبيرة من الخلايا العصبية، وتسلسل الحمض النووي، وحتى تصنيع الحمض النووي نفسه.

قام فريق بحث بقيادة جامعة هارفارد بتطوير شريحة سيليكون يمكنها تجميع 64 تسلسلًا مختلفًا للحمض النووي في نفس الوقت. العمل الذي نشر في إلكترونيات الطبيعة، يستبدل الكيمياء الثقيلة بالمذيبات المستخدمة عادة في إنتاج الحمض النووي المخصص بطريقة إنزيمية تعتمد على الماء.

وبدلاً من التحكم في تخليق الحمض النووي باستخدام معدات المختبرات التقليدية، تستخدم الشريحة تيارات كهربائية منظمة بدقة لتنشيط التفاعلات الكيميائية في مواقع فردية عبر سطحها. قاد البحث دونهي هام، أستاذ جون أ. وإليزابيث س. أرمسترونج للهندسة والعلوم التطبيقية في كلية جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS).

شريحة تكتب الحمض النووي في الماء

يلعب الحمض النووي الاصطناعي دورًا مركزيًا في العديد من مجالات العلوم والطب الحديث، بما في ذلك التشخيص وهندسة الجينوم وأبحاث السرطان.

يتم إنتاج معظم الحمض النووي الاصطناعي حاليًا من خلال كيمياء الفوسفوراميت. يمكن لهذه العملية الراسخة إنشاء ملايين التسلسلات بالتوازي، ولكنها تعتمد على المذيبات العضوية الخطرة، وعادة ما يتم تنفيذها في مرافق مركزية كبيرة.

يقدم تخليق الحمض النووي الأنزيمي بديلاً لطيفًا. ويحدث ذلك في الماء ويشبه إلى حد كبير الطريقة التي تقوم بها الخلايا الحية بتجميع الحمض النووي بشكل طبيعي. وفي المستقبل، يمكن لهذا النهج أن يجعل أجهزة كتابة الحمض النووي أصغر حجمًا وأكثر أمانًا وأسهل في الاستخدام.

ومع ذلك، حتى الآن، ظلت الطرق الأنزيمية متخلفة كثيرًا عن الكيمياء التقليدية في عدد تسلسلات الحمض النووي التي يمكنها إنتاجها في وقت واحد. لم تقم الأنظمة السابقة بإنشاء أكثر من اثني عشر تسلسلًا في وقت واحد.

ورفع فريق هارفارد هذا العدد إلى 64 تسلسلًا مختلفًا، يصل طول كل منها إلى 39 نيوكليوتيدًا. وتحدد النتيجة معيارًا جديدًا لتخليق الحمض النووي الأنزيمي الموازي.

كيف تتحكم الشريحة في نمو الحمض النووي

يتم بناء الحمض النووي نيوكليوتيدًا واحدًا في كل مرة. بعد إضافة كل نيوكليوتيد، تمنع مجموعة الحجب المؤقتة الشريط من الاستمرار في النمو. قبل أن يتم ربط النوكليوتيدات التالية، يجب إزالة مجموعة الحجب تلك.

تُعرف عملية الإزالة هذه باسم إزالة الحماية. في الماء، يمكن البدء به عن طريق خلق بيئة حمضية ذات درجة حموضة منخفضة.

تكمن الصعوبة في تخليق الحمض النووي الموازي في التحكم الدقيق في مكان وزمان ظهور تلك الحموضة. خلال كل دورة، فقط المواقع الجاهزة للنيوكليوتيدات التالية هي التي يجب أن تشهد انخفاضًا في الرقم الهيدروجيني.

تحل شريحة هارفارد هذه المشكلة باستخدام الكهرباء. يحتوي سطحه على 64 موقعًا لتخليق الحمض النووي، كل منها مجهز بقطبين حلقيين متحدين المركز يحيطان بخيوط الحمض النووي المثبتة في المركز.

عندما يحتاج موقع معين إلى استقبال نيوكليوتيد، ترسل الشريحة التيار إلى الحلقة الداخلية. يؤدي هذا إلى إنتاج البروتونات وخفض درجة الحموضة مباشرة حول خيوط الحمض النووي، مما يسمح باستمرار النمو الأنزيمي.

وفي الوقت نفسه، تسحب الحلقة الخارجية التيار في الاتجاه المعاكس وتستهلك البروتونات التي تبدأ بالانتشار بعيدًا عن الموقع. وهذا يمنع المنطقة الحمضية من الوصول إلى خيوط الحمض النووي المجاورة.

ومن خلال تنشيط مواقع مختلفة خلال كل دورة تصنيع، تقوم الشريحة بإنشاء نمط متغير من المناطق ذات الرقم الهيدروجيني المنخفض. على مدار الدورات المتكررة، تقوم تلك التفاعلات الموضعية ببناء 64 تسلسلًا منفصلاً للحمض النووي.

من تسجيل الخلايا العصبية إلى تصنيع الحمض النووي

تم تطوير شريحة السيليكون في الأصل في مختبر هام من قبل طالب الدكتوراه السابق جيفري أبوت للتسجيل على نطاق واسع داخل الخلايا من الخلايا العصبية.

استخدم الباحثون في البداية النظام لتسجيل نشاط آلاف الخلايا العصبية ورسم خريطة لمئات الوصلات المتشابكة. استحوذت الإصدارات اللاحقة على عشرات الآلاف من الاتصالات.

من خلال إعادة تصميم الأقطاب الكهربائية الموجودة على سطح الشريحة، قام فريق هام بتكييف نفس الأساس الإلكتروني لغرض مختلف تمامًا: توجيه تخليق الحمض النووي.

وقال هام: “كانت السمة المميزة للرقاقة هي الحقن الدقيق للتيار، والذي استخدمناه لنفاذية أغشية الخلايا العصبية للوصول إلى داخل الخلايا”. “في مرحلة معينة، تساءلنا ما إذا كان من الممكن إعادة توجيه نفس التحكم الحالي من الخلايا إلى الجزيئات – استبدال الأقطاب الكهربائية المواجهة للخلايا العصبية بأزواج الأقطاب الكهربائية الحلقية التي يمكنها تحديد الرقم الهيدروجيني لتخليق الحمض النووي. لقد نجح الأمر”.

الطريق المحتمل لتخزين بيانات الحمض النووي

يمكن أن يكون لهذه التكنولوجيا في نهاية المطاف تطبيقات في البيولوجيا التركيبية والتشخيص الطبي. أظهر الباحثون أيضًا إمكانية مستقبلية أكثر باستخدام 64 تسلسلًا للحمض النووي لتشفير نص بحجم 169 بايت.

قدمت تلك التجربة مثالًا صغيرًا لتخزين البيانات المعتمدة على الحمض النووي، وهو مفهوم يتم من خلاله تخزين المعلومات الرقمية داخل جزيئات الحمض النووي.

يظل تخزين الحمض النووي هدفًا طويل المدى لأنه يتطلب إنتاج كميات هائلة من الحمض النووي. ومع ذلك، فإن هذا الطلب يمكن أن يجعل التخليق الأنزيمي المعتمد على الماء ذا قيمة خاصة.

مع زيادة حجم الحمض النووي المُصنع، يصبح التأثير البيئي للمذيبات والنفايات الكيميائية الأخرى مصدر قلق أكبر.

قال وو-بين جونغ، المؤلف الأول المشارك للدراسة وهو الآن أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية في جامعة بوهانغ للعلوم والتكنولوجيا (POSTECH)، والذي نفذ العمل كباحث ما بعد الدكتوراه في مختبر هام: “إن تخزين بيانات الحمض النووي يتطلب من تخليق الحمض النووي أن يعمل على نطاق يتجاوز بكثير احتياجات اليوم”. “وهذا هو سبب أهمية التوليف الأنزيمي في الماء. إذا كان من الممكن تصنيع أكثر من 64 تسلسلاً بالتوازي، فقد يوفر ذلك طريقًا صديقًا للبيئة نحو كتابة الحمض النووي على نطاق واسع جدًا.”

الكيمياء تصبح العقبة التالية

بعد عرض تركيب 64 تسلسلاً، أراد الباحثون تحديد ما إذا كانت التكنولوجيا قادرة على دعم المزيد من خيوط الحمض النووي المعبأة في منطقة أصغر.

لقد قاموا بتصنيع مواقع تصنيع متقاربة على شريحة السيليكون نفسها، لكن التصميم الأكثر كثافة لم يعمل على النحو المنشود. وعلى الرغم من فشل التجربة، إلا أنها كشفت عن أحد أهم استنتاجات الدراسة.

في البداية، كان الباحثون في حيرة من أمرهم لأن الإلكترونيات نجحت في إبقاء المناطق ذات الرقم الهيدروجيني المنخفض محصورة في المواقع المختارة.

وأظهرت تجارب أخرى أن المشكلة جاءت من كيمياء إزالة الحماية وليس من الشريحة.

لا يؤدي انخفاض الرقم الهيدروجيني إلى إزالة مجموعة الحجب مباشرة من شريط الحمض النووي المتنامي. بدلاً من ذلك، تنتج الظروف الحمضية جزيئات وسيطة تقوم بخطوة إزالة الحماية.

يمكن لهذه الجزيئات أن تنجرف إلى مواقع التوليف القريبة. ونتيجة لذلك، فإنها تفلت من مناطق الأس الهيدروجيني الخاضعة لرقابة مشددة وتتسبب في انتشار التفاعلات إلى ما هو أبعد من الحدود المقصودة.

وقال هان ساي جونغ، المؤلف الأول المشارك للدراسة وطالب دراسات عليا سابق وباحث ما بعد الدكتوراه الحالي في جامعة هارفارد: “لقد قامت الرقاقة بما طلبنا منها القيام به: حيث حددت الرقم الهيدروجيني المنخفض في مواقع مختارة”. “جاء القيد من كيمياء إزالة الحماية، وليس من السيليكون. وهذا يترك خطوة تالية واضحة للمجال – تطوير كيمياء إزالة الحماية المباشرة المعتمدة على الحمض والتي يمكنها مواكبة الشريحة.”

المرجع: “تخليق الحمض النووي الأنزيمي المتوازي باستخدام شريحة أشباه الموصلات” بقلم Woo-Bin Jung، وHan Sae Jung، وJun Wang، وHenry Hinton، وSeok Joo Kim، وYuchang Zhang، وSuyue Chen، وYoung-Ha Hwang، وMaxime Fournier، وManon Boul، وKevin Grosselin، وAdrian Horgan، وXavier Godron، وRobert Nicol، وDonhee Ham، 17 يونيو 2026، إلكترونيات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41928-026-01662-9

جمع المشروع باحثين من جامعة هارفارد، ومعهد برود، وDNA Script، ولاحقًا POSTECH.

قدم مكتب تطوير التكنولوجيا بجامعة هارفارد الملكية الفكرية المتعلقة بالمنصة.

يستند هذا البحث إلى العمل المدعوم جزئيًا من قبل مكتب مدير الاستخبارات الوطنية (ODNI)، ونشاط مشاريع الأبحاث الاستخباراتية المتقدمة (IARPA)، عبر 2019-19081900002، وHorizon Europe، ومعرف مشروع Hyperion: 101115253، ومركز تمويل أبحاث واحتضان سامسونج للتكنولوجيا المستقبلية لشركة Samsung Electronics تحت رقم المشروع SRFC-IT2402-09.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.