Nhóm nghiên cứu do Đại học Harvard (Hoa Kỳ) chủ trì vừa phát triển một con chip silic có khả năng tổng hợp song song 64 chuỗi ADN khác nhau ngay trên bề mặt bằng một quy trình enzyme trong môi trường nước. Khác với phương pháp hóa học phosphoramidite đang được sử dụng phổ biến trong sản xuất ADN hiện nay, công nghệ mới không phụ thuộc vào các dung môi hữu cơ. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Electronics.

ADN tổng hợp là nền tảng của nhiều lĩnh vực khoa học và y học hiện đại, từ chẩn đoán, kỹ thuật hệ gen đến nghiên cứu ung thư. Hiện nay, phần lớn ADN theo đơn đặt hàng được sản xuất bằng phương pháp hóa học phosphoramidite - một công nghệ đã được hoàn thiện và có thể tạo ra hàng triệu chuỗi ADN song song. Tuy nhiên, phương pháp này phụ thuộc vào các dung môi hữu cơ độc hại và thường chỉ có thể triển khai tại các cơ sở sản xuất chuyên biệt, hạn chế khả năng mở rộng và phổ cập công nghệ.

Phương pháp mới sử dụng điện cực tổng hợp phân tử

Nghiên cứu do Giáo sư Donhee Ham thuộc Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson (SEAS) dẫn đầu. Ý tưởng của công trình bắt nguồn từ chính chuyên môn của nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực vi điện tử sinh học. Giáo sư Ham giải thích, nhóm đặt câu hỏi liệu khả năng điều khiển dòng điện với độ chính xác cao vốn được sử dụng để nghiên cứu tế bào thần kinh có thể được chuyển sang điều khiển các phản ứng ở cấp độ phân tử hay không. Thay vì hướng các điện cực tới tế bào thần kinh, nhóm sử dụng các cặp điện cực vòng để tạo ra môi trường pH cục bộ, qua đó kích hoạt quá trình tổng hợp ADN.

Con chip gồm 64 vị trí tổng hợp, mỗi vị trí được cấu tạo từ hai điện cực vòng đồng tâm bao quanh các phân tử ADN được neo giữ trên bề mặt. Khi một vị trí được kích hoạt, điện cực bên trong tạo ra các proton làm giảm pH cục bộ, từ đó kích hoạt quá trình gắn thêm đơn vị nucleotide tiếp theo. Toàn bộ quá trình tổng hợp enzyme được điều khiển song song bằng các dòng điện được kiểm soát chính xác, cho phép các phản ứng diễn ra độc lập tại từng vị trí trên chip.

Bước tiến mới trong việc tổng hợp ADN bằng enzyme

Cho đến nay, các phương pháp tổng hợp ADN bằng enzyme vẫn kém xa công nghệ truyền thống về số lượng chuỗi ADN có thể tạo ra đồng thời. Các nghiên cứu trước đây thường chỉ tổng hợp được khoảng một tá chuỗi trong cùng một lần. Với con chip mới, nhóm nghiên cứu đã tổng hợp thành công đồng thời 64 chuỗi ADN, mỗi chuỗi dài tới 39 nucleotide, đánh dấu mức tổng hợp song song lớn nhất từng được báo cáo đối với phương pháp enzyme.

Theo nhóm nghiên cứu, giới hạn hiện nay không nằm ở kiến trúc điện tử của con chip mà chủ yếu đến từ cơ chế hóa học dùng để tách nhóm bảo vệ trong quá trình tổng hợp ADN. Giáo sư Ham cho rằng bước phát triển tiếp theo sẽ là xây dựng một cơ chế tách nhóm bảo vệ bằng axit hiệu quả hơn để khai thác hết tiềm năng của nền tảng này. Nếu quy mô tổng hợp song song tiếp tục được mở rộng, công nghệ tổng hợp ADN bằng enzyme trong môi trường nước có thể trở thành một hướng tiếp cận thân thiện hơn với môi trường để "viết" ADN ở quy mô lớn.

Công trình là kết quả hợp tác giữa Đại học Harvard, Viện Broad, công ty DNA Script và Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH, Hàn Quốc). Tuy vậy, công nghệ hiện vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và sẽ cần thêm những cải tiến về hóa học cũng như quy trình chế tạo trước khi có thể đánh giá khả năng ứng dụng ở quy mô công nghiệp.

NPA (Theo Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)