Le pH – la concentration de protons dans une solution aqueuse – indique le degré d’acidité de la solution. Il régule un large éventail de processus chimiques naturels et artificiels, y compris la synthèse de séquences d’ADN conçues pour des applications en biotechnologie.
Changer le pH uniformément dans toute une solution à base d’eau est une pratique courante en chimie. Mais que se passerait-il si les chercheurs pouvaient créer un réseau de régions de pH localisées où les protons sont plus intensément concentrés que dans d’autres parties de la solution ? Cela leur permettrait d’effectuer en parallèle une chimie à pH régulé à chacun de ces sites, augmentant considérablement le débit expérimental et accélérant les processus de synthèse d’ADN, qui a des applications en génomique, en biologie synthétique, en développement de vaccins et autres thérapies, et en stockage de données.
Mais la localisation du pH est un défi car les protons se propagent rapidement dans une solution à base d’eau.
Aujourd’hui, des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), en collaboration avec des chercheurs du Broad Institute du MIT et de Harvard, et DNA Script, une biotechnologie axée sur la synthèse enzymatique d’ADN sur paillasse, ont développé un technique pour contrôler le pH au niveau local, créant un réseau dense de microsites où la quantité de protons est 100 à 1000 fois supérieure à la moyenne dans le reste de la solution.
« Ce travail permet une application à haut débit d’une large gamme de chimie à pH régulé, y compris la synthèse biomoléculaire », a déclaré Donhee Ham, professeur Gordon McKay de génie électrique et de physique appliquée à SEAS et co-auteur principal de l’article.
« Cela a été rendu possible grâce à un réseau de cellules électrochimiques à l’échelle micrométrique de géométrie unique fabriquées sur et exploitées par une puce de circuit intégré à semi-conducteur », a déclaré Hongkun Park, professeur de chimie Mark Hyman Jr. et professeur de physique et co- auteur principal de l’article.
La recherche est publiée dans Les avancées scientifiques.
La puce semi-conductrice, dotée de 256 cellules électrochimiques à sa surface, est directement interfacée avec une solution aqueuse de molécules de quinone. Chaque cellule ressemble à une cible avec deux anneaux métalliques concentriques. L’anneau intérieur injecte un courant dans la solution pour produire électrochimiquement des protons à partir de molécules de quinone. Ces protons générés localement tentent de se propager mais sont neutralisés près de l’anneau extérieur qui produit électrochimiquement des molécules de base à partir de molécules de quinone en tirant un courant de la solution. Les protons générés localement sont ainsi piégés dans et autour du centre de la bulle, créant un microenvironnement acide avec un pH abaissé.
« Essentiellement, dans chaque cellule électrochimique activée, nous mettons en place une paroi électrochimique à l’aide de l’anneau extérieur, que l’acide généré par l’anneau intérieur ne peut pas pénétrer », a déclaré Han Sae Jung, étudiant diplômé de SEAS et co-premier auteur de l’article. . « Étant donné que chaque cellule est contrôlée indépendamment par la puce semi-conductrice sous-jacente, nous pouvons abaisser le pH dans n’importe quel sous-ensemble arbitraire des 256 cellules électrochimiques que nous choisissons d’activer. La structure cellulaire unique que nous avons développée sur la puce électronique semi-conductrice permet cette programmation spatio-sélective du pH. . »
« Notre appareil peut non seulement localiser et régler précisément le pH en ajustant les courants des anneaux concentriques de chaque cellule électrochimique, mais peut également surveiller le pH en temps réel à l’aide de capteurs de pH sur puce répartis sur le réseau de cellules électrochimiques », a déclaré Woo-Bin Jung. , stagiaire postdoctoral à SEAS et co-premier auteur de l’article. « Par conséquent, nous pouvons créer n’importe quel modèle spatial de valeurs de pH cibles, ou topographie de pH, dans la solution aqueuse, avec le retour en temps réel de la carte du modèle de pH spatial que nous imaginons. »
« Alors que la synthèse chimique traditionnelle de l’ADN se fait dans des milieux non aqueux, la synthèse enzymatique de l’ADN dans des milieux aqueux gagne rapidement en intérêt, car elle minimise les dommages moléculaires et la génération de déchets dangereux et peut augmenter la vitesse et les performances de la synthèse », a déclaré Xavier Godron, directeur technique de DNA Script et co-auteur de l’article. « Notre manipulation des modèles spatiaux de pH dans les milieux aqueux peut ainsi conduire à une synthèse d’ADN enzymatique à haut débit, avec de nombreuses applications biotechnologiques allant de l’ingénierie des protéines et du criblage d’anticorps au stockage d’informations sur l’ADN. »
« Ce travail montre la puissance des approches multidisciplinaires associant l’électronique des semi-conducteurs, l’électrochimie et la biologie moléculaire. La technologie ouvre la voie à une gamme d’applications biologiques supplémentaires, notamment des bibliothèques d’oligo pour le diagnostic et le développement d’enzymes basées sur la biologie synthétique », a déclaré Robert Nicol, directeur principal du développement technologique au Broad Institute et co-auteur de l’article. « L’intégration de ces diverses disciplines nécessitait des équipes hautement collaboratives désireuses d’apprendre les unes des autres dans l’industrie et le milieu universitaire. »
Les autres co-auteurs de la recherche incluent Jun Wang, Jeffrey Abbott, Adrian Horgan, Maxime Fournier, Henry Hinton et Young-Ha Hwang.
Han Sae Jung et al, localisateur-imageur de pH électrochimique CMOS, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abm6815. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm6815