O pH – a concentração de prótons em uma solução aquosa – indica quão ácida é a solução. Ele regula uma ampla gama de processos químicos naturais e de engenharia, incluindo a síntese de sequências de DNA projetadas para aplicações em biotecnologia.
Alterar o pH uniformemente em toda uma solução à base de água é uma prática padrão em química. Mas e se os pesquisadores pudessem criar uma série de regiões de pH localizadas onde os prótons estão mais intensamente concentrados do que em outras partes da solução? Isso permitiria que eles realizassem química regulada por pH em cada um desses locais em paralelo, aumentando drasticamente o rendimento experimental e acelerando os processos de síntese de DNA, que tem aplicações em genômica, biologia sintética, desenvolvimento de vacinas e outras terapias e armazenamento de dados.

Mas localizar o pH é um desafio porque os prótons se espalham rapidamente em uma solução à base de água.

Agora, pesquisadores da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), em colaboração com pesquisadores do Broad Institute of MIT e Harvard, e DNA Script, uma biotecnologia focada em permitir a síntese de DNA enzimático de bancada, desenvolveram um técnica para controlar o pH em nível local, criando uma densa matriz de microsítios onde a quantidade de prótons é 100 a 1000 vezes maior que a média no restante da solução.

"Este trabalho permite uma aplicação de alto rendimento de uma ampla gama de química regulada por pH, incluindo síntese biomolecular", disse Donhee Ham, professor Gordon McKay de engenharia elétrica e física aplicada no SEAS e co-autor sênior do artigo.

"Isso foi possível graças a um conjunto de células eletroquímicas em escala micrométrica de geometria única fabricadas e operadas por um chip de circuito integrado semicondutor", disse Hongkun Park, professor de química e professor de física Mark Hyman Jr. autor sênior do artigo.

A pesquisa é publicada em Science Advances.

O chip semicondutor, com 256 células eletroquímicas em sua superfície, faz interface direta com uma solução aquosa de moléculas de quinona. Cada célula parece um alvo com dois anéis metálicos concêntricos. O anel interior injeta uma corrente na solução para produzir eletroquimicamente prótons a partir de moléculas de quinona. Esses prótons gerados localmente tentam se espalhar, mas são neutralizados perto do anel externo que produz eletroquimicamente moléculas de base a partir de moléculas de quinona, puxando uma corrente da solução. Os prótons gerados localmente ficam presos dentro e ao redor do centro do alvo, criando um microambiente ácido com pH reduzido.

“Essencialmente, em cada célula eletroquímica ativada, montamos uma parede eletroquímica usando o anel externo, que o ácido gerado pelo anel interno não consegue penetrar”, disse Han Sae Jung, estudante de pós-graduação da SEAS e co-autor do artigo. . "Como cada célula é controlada independentemente pelo chip semicondutor subjacente, podemos diminuir o pH em qualquer subconjunto arbitrário das 256 células eletroquímicas que escolhemos ativar. ."

“Nosso dispositivo pode não apenas localizar e ajustar o pH com precisão, ajustando as correntes dos anéis concêntricos de cada célula eletroquímica, mas também pode monitorar o pH em tempo real usando sensores de pH no chip distribuídos pelo conjunto de células eletroquímicas”, disse Woo-Bin Jung. , pós-doutorando na SEAS e co-primeiro autor do artigo. “Portanto, podemos criar qualquer padrão espacial de valores de pH alvo, ou topografia de pH, na solução aquosa, com o feedback em tempo real do mapa do padrão espacial de pH que criamos”.

"Enquanto a síntese química tradicional de DNA é feita em meio não aquoso, a síntese enzimática de DNA em meio aquoso está ganhando interesse rapidamente, pois minimiza o dano molecular e a geração de resíduos perigosos e pode aumentar a velocidade e o desempenho da síntese", disse Xavier Godron, CTO da DNA Script e coautor do artigo. "Nossa manipulação de padrões espaciais de pH em meios aquosos pode levar à síntese de DNA enzimático de alto rendimento, com muitas aplicações de biotecnologia, desde engenharia de proteínas e triagem de anticorpos até armazenamento de informações de DNA".

"Este trabalho mostra o poder das abordagens multidisciplinares que reúnem eletrônica de semicondutores, eletroquímica e biologia molecular. A tecnologia abre caminho para uma série de aplicações biológicas adicionais, incluindo bibliotecas de oligo para diagnóstico e desenvolvimento de enzimas baseadas em biologia sintética", disse Robert Nicol, Diretor Sênior de Desenvolvimento Tecnológico do Broad Institute e coautor do artigo. "Integrar essas diversas disciplinas exigiu equipes altamente colaborativas dispostas a aprender umas com as outras na indústria e na academia".

Outros coautores da pesquisa incluem Jun Wang, Jeffrey Abbott, Adrian Horgan, Maxime Fournier, Henry Hinton e Young-Ha Hwang. + Explorar mais

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