Silizium-Chip schreibt DNA mit Wasser und Strom

Synthetische DNA ist ein unverzichtbares Werkzeug in der modernen Medizin und Forschung – sie wird für Diagnostik, Genom-Editierung und Krebsforschung benötigt. Bisher wird sie meist mit einem chemischen Verfahren hergestellt, das auf giftigen Lösungsmitteln basiert und große, spezialisierte Anlagen erfordert. Ein Team um Donhee Ham von der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences hat nun einen Silizium-Chip entwickelt, der DNA auf eine völlig andere Weise schreibt: mit Wasser und elektrischem Strom.

Der Chip nutzt Enzyme, die DNA in wässriger Umgebung aufbauen – ähnlich wie es lebende Zellen tun. Auf seiner Oberfläche befinden sich 64 Schreibstellen, an denen jeweils ein eigener DNA-Strang entsteht. Durch winzige elektrische Ströme wird lokal der pH-Wert gesenkt, sodass die DNA-Kette um ein weiteres Baustein-Molekül verlängert wird. Auf diese Weise entstanden 64 verschiedene DNA-Sequenzen mit einer Länge von bis zu 39 Bausteinen – ein neuer Rekord für die enzymatische DNA-Synthese.

Interessanterweise war der Chip ursprünglich für die Messung von Nervenaktivität im Gehirn entwickelt worden. Die Forscher erkannten, dass sich die präzise Steuerung elektrischer Ströme auch für die DNA-Herstellung nutzen lässt. „Ein entscheidendes Merkmal des Chips war die präzise Strominjektion“, erklärt Ham. „Irgendwann fragten wir uns, ob sich diese Stromkontrolle von Zellen auf Moleküle übertragen ließe. Es funktionierte.“

Die neue Methode könnte die DNA-Produktion sicherer und zugänglicher machen. Statt großer Chemiefabriken könnten eines Tages kleine, tragbare Geräte DNA vor Ort herstellen. Auch für die DNA-Datenspeicherung, bei der riesige Mengen an synthetischer DNA benötigt werden, wäre ein wasserbasiertes Verfahren umweltfreundlicher. Die Forscher kodierten mit den 64 Sequenzen einen 169 Byte großen Text – ein erster Schritt in diese Richtung.

Allerdings gibt es noch Hürden. Versuche, noch mehr DNA-Stränge auf engem Raum zu produzieren, scheiterten an der verwendeten Chemie: Die Moleküle, die die DNA-Verlängerung ermöglichen, driften in benachbarte Schreibstellen. „Der Chip hat genau das getan, was wir von ihm verlangt haben“, sagt Han Sae Jung, Co-Autor der Studie. „Die Einschränkung kam von der Chemie, nicht vom Silizium. Das zeigt der Forschung einen klaren nächsten Schritt: eine direktere säuregetriebene Chemie zu entwickeln, die mit dem Chip mithalten kann.“