(Noticias de Nanowerk) pH – la concentración de protones en una solución acuosa – indica qué tan ácida es la solución. Gobierna una amplia gama de procesos químicos naturales y artificiales, incluida la síntesis de secuencias de ADN diseñadas para aplicaciones biotecnológicas.
Cambiar el pH uniformemente en una solución a base de agua es una práctica estándar en química. Pero, ¿y si los investigadores pudieran crear una serie de rangos de pH localizados donde los protones se concentran más intensamente que otras partes de la solución? Esto les permitiría ejecutar química regulada por pH en cada uno de estos sitios en paralelo, aumentando drásticamente el rendimiento experimental y acelerando los procesos en la síntesis de ADN, que tienen aplicaciones en genómica, biología sintética, desarrollo de vacunas y otras terapias, y el almacenamiento de datos ha .
Sin embargo, localizar el pH es un desafío porque los protones se difunden rápidamente en una solución a base de agua.
Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS), en colaboración con investigadores del Instituto Broad del MIT y Harvard y DNA Script, una compañía de biotecnología enfocada en permitir la síntesis enzimática de ADN, se han puesto a la mesa. concentrado, una técnica desarrollada para controlar el pH a nivel local, creando una densa matriz de micrositios donde la cantidad de protones es de 100 a 1000 veces mayor que el promedio en el resto de la solución.
«Este trabajo permite la aplicación de alto rendimiento de un amplio espectro de química controlada por pH, incluida la síntesis biomolecular», dijo Donhee Ham, profesor Gordon McKay de Ingeniería Eléctrica y Física Aplicada en SEAS y coautor principal del artículo.
«Esto fue posible gracias a una serie de celdas electroquímicas a escala micrométrica con geometría única fabricadas y alimentadas por un chip de circuito integrado semiconductor», dijo Hongkun Park, Mark Hyman Jr. Profesor de Química y Profesor de Física y Co. autor principal de los papeles
La investigación se publica en avances científicos («Generador de imágenes localizador de pH electroquímico CMOS»).
El chip semiconductor con 256 celdas electroquímicas en su superficie está directamente conectado a una solución a base de agua de moléculas de quinona. Cada celda parece un ojo de buey con dos anillos metálicos concéntricos. El anillo interior inyecta una corriente en la solución para generar electroquímicamente protones a partir de moléculas de quinona. Estos protones generados localmente intentan expandirse, pero se neutralizan cerca del anillo exterior, que crea electroquímicamente moléculas base a partir de moléculas de quinona extrayendo una corriente de la solución. Los protones generados localmente quedan atrapados dentro y alrededor del centro de la diana, creando un microambiente ácido con un pH más bajo.
«Esencialmente, en cada celda electroquímica activada, configuramos una pared electroquímica utilizando el anillo exterior que el ácido generado por el anillo interior no puede penetrar», dijo Han Sae Jung, estudiante graduado en SEAS y coautor del artículo. “Debido a que cada celda está controlada de forma independiente por el chip semiconductor subyacente, podemos reducir el pH de cualquier subconjunto de las 256 celdas electroquímicas que queremos activar. La estructura celular única que desarrollamos en el chip semiconductor electrónico permite esta programación de pH selectiva en el sitio”.
“Nuestro dispositivo no solo puede ubicar y ajustar con precisión el pH ajustando las corrientes de los anillos concéntricos de cada celda electroquímica, sino que también puede monitorear el pH en tiempo real usando sensores de pH en el chip que están sobre la matriz de celdas electroquímicas”, dijo. Woo-Bin Jung, investigador postdoctoral en SEAS y coautor del artículo. «Por lo tanto, con la retroalimentación en tiempo real del mapa de patrón de pH espacial que estamos capturando, podemos crear cualquier patrón espacial de valores de pH objetivo o topografías de pH en la solución acuosa».
«Mientras que la síntesis de ADN químico tradicional se realiza en medios no acuosos, la síntesis de ADN enzimático en medios acuosos está cobrando interés rápidamente, ya que minimiza el daño molecular y la generación de desechos peligrosos, y puede aumentar la velocidad y la potencia de la síntesis», dijo Xavier Godron, CTO de DNA Script y coautor del artículo. «Nuestra manipulación de los patrones espaciales de pH en medios acuosos puede conducir a la síntesis de ADN enzimático de alto rendimiento, con muchas aplicaciones biotecnológicas, desde la ingeniería de proteínas y la detección de anticuerpos hasta el almacenamiento de información de ADN».
“Este trabajo demuestra el poder de los enfoques multidisciplinarios que unen la electrónica de semiconductores, la electroquímica y la biología molecular. La tecnología allana el camino para una serie de aplicaciones biológicas adicionales, incluidas las bibliotecas de oligos para el diagnóstico y el diseño de enzimas basadas en la biología sintética», dijo Robert Nicol, director sénior de desarrollo tecnológico del Broad Institute y coautor de la publicación. «La integración de estas diferentes disciplinas requería equipos altamente cooperativos que estuvieran dispuestos a aprender unos de otros en la industria y la academia».
