El pH, la concentración de protones en una solución acuosa, indica qué tan ácida es la solución. Regula una amplia gama de procesos químicos naturales y de ingeniería, incluida la síntesis de secuencias de ADN diseñadas para aplicaciones en biotecnología.

Cambiar el pH de manera uniforme en toda una solución a base de agua es una práctica estándar en química. Pero, ¿y si los investigadores pudieran crear una serie de regiones de pH localizadas donde los protones se concentran más intensamente que en otras partes de la solución? Esto les permitiría realizar química regulada por pH en cada uno de esos lugares en paralelo, aumentando drásticamente el rendimiento experimental y acelerando los procesos en la síntesis de ADN, que tiene aplicaciones en genómica, biología sintética, desarrollo de vacunas y otras terapias, y almacenamiento de datos.

Pero localizar el pH es un desafío porque los protones se esparcen 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 biotecnología enfocada en permitir la síntesis de ADN enzimático de laboratorio, han desarrollado un técnica 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 una aplicación de alto rendimiento de una amplia gama de química regulada por pH, incluida la síntesis biomolecular", dijo Donhee Ham, profesor de ingeniería eléctrica y física aplicada de Gordon McKay en SEAS y coautor principal del artículo.

"Fue posible gracias a una matriz de celdas electroquímicas de escala micrométrica de geometría única fabricadas y operadas por un chip de circuito integrado semiconductor", dijo Hongkun Park, profesor de química y profesor de física Mark Hyman Jr. y co- autor principal del artículo.

La investigación se publica en Science Advances.

El chip semiconductor, que cuenta con 256 celdas electroquímicas en su superficie, está conectado directamente con una solución a base de agua de moléculas de quinona. Cada celda parece una diana con dos anillos metálicos concéntricos. El anillo interior inyecta una corriente en la solución para producir electroquímicamente protones a partir de moléculas de quinona. Estos protones generados localmente intentan dispersarse, pero se neutralizan cerca del anillo exterior que electroquímicamente produce moléculas base a partir de moléculas de quinona al extraer 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, creamos una pared electroquímica utilizando el anillo exterior, que el ácido generado por el anillo interior no puede penetrar", dijo Han Sae Jung, estudiante de posgrado en SEAS y coautor del artículo. . "Dado que cada celda está controlada de forma independiente por el chip semiconductor subyacente, podemos reducir el pH en cualquier subconjunto arbitrario de las 256 celdas electroquímicas que elijamos activar. La estructura de celda única que hemos desarrollado en el chip electrónico semiconductor permite esta programación de pH selectiva en el espacio ."

"Nuestro dispositivo no solo puede localizar 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 distribuidos a lo largo de la matriz de celdas electroquímicas", dijo Woo-Bin Jung. , becario postdoctoral en SEAS y coautor del artículo. "Por lo tanto, podemos crear cualquier patrón espacial de valores de pH objetivo, o topografía de pH, en la solución acuosa, con la retroalimentación en tiempo real del mapa del patrón de pH espacial que representamos".

"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 el rendimiento de la síntesis", dijo Xavier Godron, CTO de DNA Script y coautor del artículo. "Nuestra manipulación de 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 muestra 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 gama de aplicaciones biológicas adicionales, incluidas las bibliotecas de oligo para el diagnóstico y el desarrollo de enzimas basadas en la biología sintética", dijo Robert. Nicol, director sénior de desarrollo tecnológico del Instituto Broad y coautor del artículo. "La integración de estas diversas disciplinas requería equipos altamente colaborativos dispuestos a aprender unos de otros en la industria y la academia".

Otros coautores de la investigación incluyen a Jun Wang, Jeffrey Abbott, Adrian Horgan, Maxime Fournier, Henry Hinton y Young-Ha Hwang. + Explora más

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