pH值也能編程了？
pH值——水溶液中質(zhì)子的濃度——表示溶液的酸性程度。它規(guī)范了廣泛的自然和工程化學(xué)過程，包括合成設(shè)計的DNA序列應(yīng)用于生物技術(shù)。
在整個水基溶液中均勻地改變pH值是化學(xué)中的標準做法。但是，如果研究人員能夠創(chuàng)造一系列局部pH值區(qū)域，使質(zhì)子比溶液的其他部分更密集，會怎么樣呢?這將允許他們在每一個位置并行地進行pH調(diào)控的化學(xué)反應(yīng)，極大地提高實驗吞吐量，加快DNA合成過程，這在基因組學(xué)、合成生物學(xué)、疫苗開發(fā)和其他療法以及數(shù)據(jù)存儲方面有應(yīng)用。但是確定pH值是一個挑戰(zhàn)，因為質(zhì)子在水基溶液中擴散很快。
現(xiàn)在，來自哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的研究人員，與麻省理工學(xué)院布羅德研究所和哈佛大學(xué)的研究人員，以及專注于臺式酶DNA合成的生物技術(shù)公司DNA Script合作，開發(fā)了一種控制局部pH值的技術(shù)，創(chuàng)建了一個密集的微位點陣列，其中質(zhì)子數(shù)量比溶液其他部分的平均值高出100到1000倍。
SEAS電氣工程與應(yīng)用物理Gordon McKay教授、該論文的合著者Donhee Ham表示:“這項工作實現(xiàn)了廣泛的pH調(diào)控化學(xué)的高通量應(yīng)用，包括生物分子合成?！?/p>
“這是由于在半導(dǎo)體集成電路芯片上制造并操作了一組獨特幾何形狀的微米級電化學(xué)電池，”該論文的共同資深作者、化學(xué)教授馬克·海曼(Mark Hyman Jr.)和物理教授Hongkun Park說。
這項研究發(fā)表在《科學(xué)進展》雜志上。該半導(dǎo)體芯片的表面有256個電化學(xué)電池，直接與醌分子的水基溶液連接。每個細胞看起來像一個帶有兩個同心金屬環(huán)的靶心。內(nèi)環(huán)向溶液中注入電流，使醌分子產(chǎn)生質(zhì)子。這些局部產(chǎn)生的質(zhì)子試圖擴散，但在外環(huán)附近被中和，通過從溶液中拉出電流，從醌分子中通過電化學(xué)產(chǎn)生堿分子。因此，局域產(chǎn)生的質(zhì)子被困在靶心內(nèi)部和周圍，創(chuàng)造了一個pH值較低的酸性微環(huán)境。
論文的第一作者之一、SEAS研究生Han Sae Jung表示:“基本上，在每個激活的電化學(xué)電池中，我們利用外環(huán)建立了一個電化學(xué)壁，內(nèi)環(huán)產(chǎn)生的酸無法穿透這個電化學(xué)壁。由于每個電池都由底層的半導(dǎo)體芯片獨立控制，我們可以降低我們選擇激活的256個電化學(xué)電池的任意子集的pH值。我們在半導(dǎo)體電子芯片上開發(fā)的獨特細胞結(jié)構(gòu)使這種空間選擇性pH編程成為可能?！?/p>
“我們的設(shè)備不僅可以通過調(diào)節(jié)每個電化學(xué)電池的同心環(huán)的電流來定位和精確地調(diào)整pH值，而且還可以使用分布在電化學(xué)電池陣列上的片上pH傳感器實時監(jiān)測pH值，”SEAS博士后研究員、該論文的共同第一作者Jung Woo-Bin表示?！耙虼耍覀兛梢栽谒芤褐袆?chuàng)建任何目標pH值的空間模式，或pH地形，通過我們成像的空間pH模式地圖的實時反饋?！?/p>
“傳統(tǒng)的化學(xué)DNA合成是在非水介質(zhì)中完成的，而在水介質(zhì)中進行的酶催化DNA合成正迅速獲得關(guān)注，因為它最大限度地減少了分子損傷和危險廢物的產(chǎn)生，并可以提高合成的速度和性能，”DNA腳本的CTO和論文的合著者Xavier Godron說?！耙虼?，我們對水介質(zhì)中pH值空間模式的操縱可以導(dǎo)致高通量的酶催化DNA合成，從蛋白質(zhì)工程、抗體篩選到DNA信息存儲等許多生物技術(shù)應(yīng)用?！?/p>
“這項工作顯示了將半導(dǎo)體電子、電化學(xué)和分子生物學(xué)結(jié)合在一起的多學(xué)科方法的力量。該技術(shù)為一系列額外的生物應(yīng)用鋪平了道路，包括用于診斷的寡核苷酸庫和基于生物的合成酶開發(fā)，”布羅德研究所技術(shù)開發(fā)高級主任、該論文的合著者羅伯特·尼科爾(Robert Nicol)說?！罢线@些不同的學(xué)科需要高度協(xié)作的團隊，愿意在行業(yè)和學(xué)術(shù)界相互學(xué)習(xí)?！?/p>
CMOS electrochemical pH localizer-imager
