コンピュータやスマートフォンの頭脳として欠かせないシリコンチップが、なんと生命の設計図であるDNAを作り出す「工場」になるかもしれない――そんなSF映画のような話が現実になりつつあります。ハーバード大学の研究チームが、化学溶媒を使わずに電気と水ベースの酵素でDNAを合成できる画期的なシリコンチップを開発しました。ハーバード大学の研究者たちは、シリコンチップを小型のデオキシリボ核酸（DNA: deoxyribonucleic acid）書き込み工場へと変身させました。
この新しいシリコンチップは、電気と水を用いた酵素を使って数多くのDNA配列を同時に書き込むことができ、従来のDNA製造に代わるよりクリーンな選択肢を提供します。この画期的な進歩は、最終的にはポータブルなDNA書き込みデバイスや大規模なDNAデータストレージをサポートする可能性がありますが、技術をさらにスケールアップさせるためには新しい化学技術が必要になります。
シリコンチップは、何十年にもわたって現代のコンピューティングの基盤となってきました。そして現在、研究者たちはバイオテクノロジーの分野で、シリコンチップに全く新しい役割を与えようとしています。情報を処理するだけでなく、神経細胞（ニューロン）からの活動を記録したり、DNAを読み取ったり、さらにはDNAを作り出したりするなど、生体システムを研究するためにますます利用されるようになっています。
Nature Electronics誌に掲載された新しい研究において、ハーバード大学が主導する研究チームは、64種類の異なるDNA配列を同時に合成できるシリコンチップを発表しました。合成DNAを製造するために一般的に使用されている、溶媒を多用する化学的プロセスに依存するのではなく、このデバイスは水ベースの酵素的アプローチを使用しています。注意深く制御された電流が、チップ上の特定の場所でDNA構築反応を引き起こします。
この研究は、ジョン・A・ポールソン・工学・応用科学部（SEAS: School of Engineering and Applied Sciences）のJohn A. and Elizabeth S. Armstrong工学・応用科学教授であるドンヒ・ハム（Donhee Ham）博士によって主導されました。
DNAを製造するよりクリーンな方法
合成DNAは、診断、ゲノム工学、がん研究など、現代科学と医学の多くの分野において不可欠です。現在、カスタムDNAの大部分は、数百万のDNA配列を並行して製造できる確立された方法である「ホスホロアミダイト化学」を用いて生産されています。しかし、このプロセスは有害な有機溶媒に依存しており、通常は専用の中央施設を必要とします。
科学者たちは、水を使用し、生きた細胞が自然にDNAを構築する方法により近いという理由から、より環境に優しい代替手段として酵素的DNA合成を探求してきました。このアプローチにより、将来的にはより小型で安全、かつ広く利用可能なDNA合成システムが実現する可能性があります。
しかしこれまで、酵素を用いた方法は、同時に生産できるDNA配列の数において従来の製造方法に大きく遅れをとっていました。以前の実証では、一度に合成できるのは約12種類の配列に限られていました。ハーバード大学チームのチップは、それぞれ39個のヌクレオチドからなる64種類の異なるDNA配列を並行して合成することに成功し、この技術の新たなマイルストーンを打ち立てました。
シリコンチップがDNAを書き込む仕組み
DNAは1度に1つのヌクレオチドが順番に組み立てられます。各ヌクレオチドが追加された後、一時的な保護基がそれ以上の伸長を防ぎます。次のヌクレオチドを結合させる前に、水中の酸性条件（低水素イオン指数（pH: potential of hydrogen））によって引き起こされる「脱保護」と呼ばれるプロセスを通じて、その保護基を取り除く必要があります。
多くの異なるDNA配列を同時に生産するには、各合成サイクル中に選択された場所のpHだけを下げる必要があります。ハーバード大学のチップは、微小な電流を使用することでこれを達成しています。
チップの表面には64の合成サイトがあります。各サイトには、中央に固定されたDNA分子を囲む2つの同心円状のリング電極が備わっています。特定の場所が活性化されると、内側の電極がプロトンを生成して局所的なpHを下げ、DNA鎖を成長させます。同時に、外側の電極が外側に広がるプロトンを取り除き、酸性領域をその単一のサイトに閉じ込めます。
このプロセスを複数のサイクルで繰り返すことにより、チップはその表面全体で64の固有のDNA配列を独立して構築します。
脳研究からDNA合成へ
興味深いことに、このチップは当初DNAを製造するために設計されたわけではありませんでした。
ハム博士の研究室の元学生であるジェフリー・アボット（Jeffrey Abbott）博士は、元々、大規模なニューロン集団の電気的活動を記録するためのシリコン電子工学を開発しました。表面電極を再設計した後、研究者たちは、DNA合成に必要な化学的条件を正確に制御するために、同じ基盤技術を使用できることを発見しました。
「チップの決定的な特徴は、私たちが細胞内アクセスのためにニューロン膜を透過させるために使用していた、精密な電流注入でした」と、ハム博士は述べています。「ある時点から、私たちはその同じ電流制御を細胞から分子へと方向転換し、ニューロンに向き合う電極を、DNA合成のためのpHを局在化できるリング電極のペアに置き換えることができるのではないかと考えました。そして、それはうまく機能したのです」。
DNAデータストレージが将来の応用になる可能性
合成生物学や医療診断における潜在的な応用に加えて、研究チームは、合成された64のDNA配列を使用して169バイトのテキストをエンコードすることにより、別の可能性を実証しました。
DNAベースのデータストレージは、膨大な規模でのDNA製造を必要とするため依然として長期的な目標ですが、生産量が増加するにつれて、水ベースの酵素的合成がますます魅力的なものになると研究者たちは考えています。溶媒の使用を減らすことで、大規模なDNA製造による環境への影響を大幅に軽減できる可能性があります。
「DNAデータストレージは、今日のニーズをはるかに超える規模でDNA合成を機能させることを求めています」と、ハム博士の研究室で博士研究員としてこの研究を実施し、現在は浦項工科大学校（POSTECH: Pohang University of Science and Technology）の化学工学の助教授であり、この研究の共同筆頭著者であるウービン・ジュン（Woo-Bin Jung）博士は述べています。「だからこそ、水中での酵素的合成が重要になるのです。64をはるかに超える配列を並行して合成できれば、非常に大規模なDNA書き込みに向けた環境に優しいルートを提供する可能性があります」。
化学が次の障害に
研究者たちはまた、このチップがどの程度までスケールアップできるのかを知りたいと考えました。同時に生産されるDNA配列の数を増やすことを期待して、合成サイトをより近づけて配置したチップを作製しました。
その実験は成功しませんでしたが、重要な洞察をもたらしました。チップ自体は、意図した場所に低pHを正確に閉じ込めることができました。本当の制限は、脱保護の際に使用される化学反応にあったのです。
低pHは、保護基を直接除去するのではなく、脱保護ステップを実行する中間分子を生成します。pHが厳密に制御されていても、それらの中間分子が隣接する合成サイトに漂い、反応間の分離を弱めてしまう可能性があります。
「チップは私たちが求めた通りのことを行いました。つまり、選択したサイトに低pHを局在化させたのです」と、この研究の共同筆頭著者であり、ハーバード大学の元大学院生で現在博士研究員であるハン・セ・ジュン（Han Sae Jung）博士は述べています。「制限はシリコンからではなく、脱保護化学から生じました。これにより、この分野における明確な次のステップが残されました。それは、チップに追随できる、より直接的な酸駆動の脱保護化学を開発することです」。
共同研究と研究支援
このプロジェクトは、ハーバード大学、ブロード研究所、DNA Script、および後のPOSTECHの研究者たちによる共同研究でした。ハーバード大学技術開発室は、このプラットフォームに関連する知的財産を申請しています。研究論文のタイトルは「「Parallel enzymatic DNA synthesis using a semiconductor chip（半導体チップを用いた並列酵素的DNA合成）」」です。
この研究は、国家情報長官室（ODNI: Office of the Director of National Intelligence）の情報高等研究開発局（IARPA: Intelligence Advanced Research Projects Activity）の一部助成、Horizon Europeプログラム、およびサムスン電子のSamsung Research Funding & Incubation Center for Future Technologyの支援を受けました。
