pH - de concentratie van protonen in een waterige oplossing - geeft aan hoe zuur de oplossing is. Het reguleert een breed scala aan natuurlijke en kunstmatige chemische processen, waaronder de synthese van ontworpen DNA-sequenties voor toepassingen in de biotechnologie.

Het uniform veranderen van de pH over een hele oplossing op waterbasis is een standaardpraktijk in de chemie. Maar wat als onderzoekers een reeks gelokaliseerde pH-gebieden zouden kunnen creëren waar protonen intenser geconcentreerd zijn dan in andere delen van de oplossing? Dit zou hen in staat stellen om op elk van die locaties parallel pH-gereguleerde chemie uit te voeren, waardoor de experimentele doorvoer drastisch wordt verhoogd en processen in de DNA-synthese worden versneld, die toepassingen heeft in genomica, synthetische biologie, vaccinontwikkeling en andere therapieën, en gegevensopslag.

Maar het lokaliseren van de pH is een uitdaging omdat protonen zich snel verspreiden in een oplossing op waterbasis.

Nu hebben onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), in samenwerking met onderzoekers van het Broad Institute of MIT en Harvard, en DNA Script, een biotech gericht op het mogelijk maken van benchtop enzymatische DNA-synthese, een techniek om de pH op lokaal niveau te regelen, waardoor een dichte reeks microsites ontstaat waar de hoeveelheid protonen 100 tot 1000 keer hoger is dan het gemiddelde in de rest van de oplossing.

"Dit werk maakt een high-throughput toepassing van een breed scala aan pH-gereguleerde chemie mogelijk, inclusief biomoleculaire synthese", zegt Donhee Ham, de Gordon McKay hoogleraar Electrical Engineering and Applied Physics bij SEAS en co-senior auteur van het artikel.

"Het werd mogelijk gemaakt door een reeks elektrochemische cellen op micrometerschaal met een unieke geometrie, gefabriceerd op en bediend door een chip met geïntegreerde halfgeleiderschakelingen", zegt Hongkun Park, de Mark Hyman Jr. Professor of Chemistry en Professor of Physics and co- senior auteur van het artikel.

Het onderzoek is gepubliceerd in Science Advances.

De halfgeleiderchip, met 256 elektrochemische cellen op het oppervlak, is direct verbonden met een op water gebaseerde oplossing van chinonmoleculen. Elke cel ziet eruit als een roos met twee concentrische metalen ringen. De binnenring injecteert een stroom in de oplossing om elektrochemisch protonen te produceren uit chinonmoleculen. Deze lokaal gegenereerde protonen proberen zich te verspreiden, maar worden geneutraliseerd nabij de buitenste ring die elektrochemisch basismoleculen produceert uit chinonmoleculen door een stroom uit de oplossing te trekken. De lokaal gegenereerde protonen worden dus gevangen in en rond het centrum van de roos, waardoor een zure micro-omgeving ontstaat met een verlaagde pH.

"In wezen zetten we in elke geactiveerde elektrochemische cel een elektrochemische muur op met behulp van de buitenste ring, waar het zuur dat door de binnenste ring wordt gegenereerd niet kan doordringen", zegt Han Sae Jung, een afgestudeerde student aan SEAS en mede-eerste auteur van het artikel . "Omdat elke cel onafhankelijk wordt bestuurd door de onderliggende halfgeleiderchip, kunnen we de pH verlagen bij elke willekeurige subset van de 256 elektrochemische cellen die we kiezen om te activeren. De unieke celstructuur die we hebben ontwikkeld op de elektronische halfgeleiderchip maakt deze spatio-selectieve pH-programmering mogelijk ."

"Ons apparaat kan niet alleen de pH lokaliseren en nauwkeurig afstemmen door de stromen van de concentrische ringen van elke elektrochemische cel aan te passen, maar kan ook de pH in realtime bewaken met behulp van on-chip pH-sensoren die over de elektrochemische celarray zijn verdeeld," zei Woo-Bin Jung , een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-eerste auteur van het artikel. "Daarom kunnen we elk ruimtelijk patroon van doel-pH-waarden of pH-topografie creëren in de waterige oplossing, met de realtime feedback van de kaart van het ruimtelijke pH-patroon dat we ons voorstellen."

"Terwijl traditionele chemische DNA-synthese wordt gedaan in niet-waterige media, wint enzymatische DNA-synthese in waterige media snel aan belangstelling, omdat het moleculaire schade en het genereren van gevaarlijk afval minimaliseert en de synthesesnelheid en -prestaties kan verhogen", zegt Xavier Godron, de CTO van DNA Script en een co-auteur van het papier. "Onze manipulatie van ruimtelijke patronen van pH in waterige media kan dus leiden tot enzymatische DNA-synthese met hoge doorvoer, met veel biotechnologische toepassingen van eiwitengineering en antilichaamscreening tot opslag van DNA-informatie."

"Dit werk toont de kracht van multidisciplinaire benaderingen die halfgeleiderelektronica, elektrochemie en moleculaire biologie samenbrengen. De technologie maakt de weg vrij voor een reeks aanvullende biologische toepassingen, waaronder oligobibliotheken voor diagnostiek en op synthetische biologie gebaseerde enzymontwikkeling," zei Robert Nicol, Senior Director of Technology Development bij het Broad Institute en co-auteur van het artikel. "De integratie van deze diverse disciplines vereiste teams die zeer goed op elkaar inspeelden en bereid waren van elkaar te leren in de industrie en de academische wereld."

Andere co-auteurs van het onderzoek zijn Jun Wang, Jeffrey Abbott, Adrian Horgan, Maxime Fournier, Henry Hinton en Young-Ha Hwang. + Verder verkennen

Nano-elektroden registreren duizenden verbonden zoogdierneuronen van binnenuit