Chip bán dẫn mở đường cho sản xuất ADN quy mô lớn

Ngày 21/6, một nhóm nhà khoa học Hàn Quốc và Mỹ cho biết đã phát triển thành công công nghệ tổng hợp ADN bằng chip bán dẫn trong môi trường nước, cho phép tạo đồng thời hàng chục trình tự ADN khác nhau trên cùng một nền tảng silicon.

Theo phóng viên TTXVN tại Seoul, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Donhee Ham thuộc Đại học Harvard (Mỹ) và Giáo sư Jeong Woo Bin thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH) của Hàn Quốc dẫn đầu đã tổng hợp thành công 64 trình tự ADN khác nhau trên một chip bán dẫn. Thành tựu này được đánh giá là bước tiến quan trọng hướng tới sản xuất sinh học quy mô lớn và phát triển công nghệ lưu trữ dữ liệu thế hệ mới dựa trên ADN.

ADN tổng hợp hiện được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như chẩn đoán bệnh, chỉnh sửa gene, phát triển dược phẩm và nghiên cứu ung thư. Tuy nhiên, phần lớn ADN nhân tạo hiện nay vẫn được sản xuất bằng các quy trình hóa học sử dụng dung môi hữu cơ, đòi hỏi cơ sở hạ tầng quy mô lớn và tiềm ẩn tác động đến môi trường.

Trong khi đó, phương pháp tổng hợp ADN bằng enzyme mô phỏng gần hơn quá trình hình thành ADN trong tự nhiên. Quy trình này diễn ra trong môi trường nước, có độ an toàn cao hơn và được xem là giải pháp thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, việc sản xuất ADN với số lượng lớn bằng phương pháp này vẫn gặp nhiều thách thức về mặt công nghệ.

Để giải quyết vấn đề trên, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống sử dụng chip bán dẫn nhằm điều khiển chính xác quá trình tổng hợp ADN. Hệ thống mới sử dụng các điện cực siêu nhỏ để tạo môi trường axit cục bộ tại từng vị trí trên bề mặt chip, qua đó kích hoạt quá trình bổ sung và liên kết các nucleotide - đơn vị cấu tạo cơ bản của ADN. Bằng cách kiểm soát dòng điện và độ axit tại từng điểm, các nhà khoa học đã tổng hợp thành công đồng thời 64 chuỗi ADN khác nhau, mở ra khả năng sản xuất ADN hàng loạt trên nền tảng vi điện tử.

Đáng chú ý, trong quá trình nghiên cứu, nhóm cũng xác định được một trong những nút thắt quan trọng của công nghệ tổng hợp ADN bằng enzyme. Kết quả phân tích cho thấy các phân tử trung gian sinh ra trong phản ứng có thể lan sang các vị trí lân cận trên chip, làm ảnh hưởng đến độ chính xác của quá trình tổng hợp.

Theo Giáo sư Donhee Ham, việc xác định rõ nguyên nhân gây cản trở này là cơ sở quan trọng để tiếp tục hoàn thiện công nghệ trong tương lai. Ông cho rằng phương pháp tổng hợp ADN bằng enzyme không chỉ có độ chính xác cao hơn mà còn cho phép tạo ra các chuỗi ADN dài hơn, đồng thời giảm đáng kể tác động đến môi trường khi triển khai ở quy mô công nghiệp.

Bên cạnh ứng dụng trong công nghệ sinh học, nhóm nghiên cứu còn chứng minh tiềm năng sử dụng ADN như một phương tiện lưu trữ dữ liệu. Trong thử nghiệm, các nhà khoa học đã mã hóa thành công 169 byte dữ liệu văn bản vào 64 chuỗi ADN được tổng hợp trên chip.

Lưu trữ dữ liệu bằng ADN đang thu hút sự quan tâm của cộng đồng khoa học quốc tế nhờ mật độ lưu trữ vượt trội và khả năng bảo quản thông tin trong thời gian rất dài so với các thiết bị bán dẫn hiện nay. Công nghệ này được kỳ vọng sẽ trở thành giải pháp cho các hệ thống lưu trữ dữ liệu quy mô lớn trong tương lai.

Giáo sư Jeong Woo Bin, tác giả chính của nghiên cứu, cho rằng khả năng tổng hợp đồng thời số lượng lớn chuỗi ADN là điều kiện tiên quyết để thương mại hóa công nghệ lưu trữ dữ liệu ADN. Theo ông, nếu năng lực sản xuất tiếp tục được mở rộng, đây có thể trở thành phương thức lưu trữ dữ liệu hiệu quả và thân thiện với môi trường hơn nhiều so với các công nghệ hiện có.

Trong khi đó, Giáo sư Ham nhận định lưu trữ ADN đặc biệt phù hợp với các hệ thống lưu trữ lạnh, nơi dữ liệu cần được bảo quản trong thời gian dài. Ông cho rằng khi nhu cầu lưu trữ toàn cầu tiếp tục gia tăng và chi phí công nghệ giảm xuống, các phương pháp tổng hợp ADN bằng enzyme trong môi trường nước sẽ ngày càng đóng vai trò quan trọng.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học quốc tế Nature Electronics, đánh dấu bước tiến mới trong sự hội tụ giữa công nghệ bán dẫn, sinh học phân tử và khoa học dữ liệu./.