BIOSYNTH – „Modulární mikro-platforma pro budoucí masové datové úložiště ze syntetické biologie“

Příklady použití syntetické biologie. © Fraunhofer IPMS / Příklady aplikací syntetické biologie. © Fraunhofer IPMS

DNA, RNA a PEPTID jako úložný prostředek budoucnosti – projekt BIOSYNTH. © Fraunhofer IPMS / DNA, RNA a PEPTID jako úložný prostředek budoucnosti – projekt BIOSYNTH. © Fraunhofer IPMS

Projekt BIOSYNTH je financován společností Fraunhofer-Gesellschaft a jeho cílem je vyvinout novou platformu mikročipů, která umožní efektivní a digitálně řízenou bezbuněčnou biosyntézu. Koordinační centrum vede Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS a spolupracuje s Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM a Institut für Zelltherapie und Immunologie, část Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB, na technologiích, které mohou být využity například pro budoucí masové datové úložiště s velmi vysokou hustotou nebo také při screeningu škodlivých látek v humánní toxikologii.

Co je syntetická biologie?

Syntetická biologie je výzkumné odvětví, které si klade za cíl navrhovat, napodobovat nebo upravovat biologické systémy v laboratoři. To se děje vývojem standardizovaných komponent, které lze přesně spojovat do nových celků.

Syntetická DNA může být použita k ukládání a komprimaci binárních dat, přičemž zapisování DNA na mikročipy je stále velkou výzvou, ale i významnou příležitostí. Informace lze ukládat na mikročipech ve vysoké hustotě tím, že se bazové páry specificky a digitálně řízeně uspořádají do trojrozměrných struktur.

Kromě toho koordinační centrum zkoumá další aplikace syntetické biologie, například rozpoznávání patogenů v odpadních vodách – tedy i senzory. Především tyto budou diskutovány na uživatelském workshopu v rámci SynBioReactor Summitu Německé společnosti pro syntetickou biologii dne 21. srpna v Berlíně-Adlershof.

Jak BIOSYNTH přispívá ke zlepšení procesů?

Projekt BIOSYNTH si klade za cíl zlepšit dnešní výkon mikrobiální syntézy tím, že sjednotí odborné znalosti tří institucí Fraunhofer. Pomocí moderní mikrotechnologie se zkoumá univerzální platforma mikročipů, která může být využívána pro zápis DNA, RNA a peptidů. Dosavadní metody syntézy, například pomocí takzvaného „spottingu“, jsou neefektivní, zejména při tvorbě dlouhých DNA segmentů, a mají tendenci k nepřesnostem, jejichž oprava je časově náročná i nákladná. Navíc je stávající zařízení velké a spojeno s vysokými náklady.

„Projekt BIOSYNTH proto usiluje o výzkum mikrotechnologických a biologických základů pokročilé vysokokapacitní mikrobiální syntézy v vysoce integrovaných mikročipech s tepelnými, fotonickými a fluidními komponentami, které adresují jak biologická masová datová úložiště s extrémní hustotou a odolností vůči stárnutí, tak i aplikace v biologii, biochemii nebo aplikované ekologii,“ vysvětluje Dr. Uwe Vogel, vedoucí konsorcia z Fraunhofer IPMS.

Výzkumníci vyvíjejí platformu založenou na běžných technikách výroby mikročipů, která umožní zapisovat sekvence nukleotidů (DNA, RNA nebo peptidy). Tato platforma například umožní implementaci biologických masových datových úložišť pro vysoce paralelní a vysokovýkonné metody, podobně jako výrobní procesy v mikroelektronickém průmyslu. Platforma, navržená a vyrobená pomocí mikroelektronických metod, integruje miniaturizované reakční buňky na mikrometrové úrovni, s objemy reakcí v pikolitrovém rozsahu, pro bezbuněčnou syntézu v plně programovatelném aktivním maticovém poli. Pomocí speciálních tepelných a fotonických komponent a funkčního povrchu každé reakční buňky je umožněn transport, imobilizace, aktivace a monitorování podmínek a výsledků procesu.

Fraunhofer IPMS vyvíjí integrovaný obvod CMOS zadní desky, který slouží k řízení a čtení mikroohřívačů pro biosyntézu. Tento obvod je také použit pro pixely OLED a fotodetektory v aktivním maticovém uspořádání a pro odpovídající testovací sestavu. Navíc je odpovědný za vývoj „Thermo“ vrstvy mikročipové platformy, která umožňuje řízení teploty biologické syntézy pomocí mikromechanických povrchových struktur, podobně jako technologie kapacitních mikromechanických ultrazvukových měničů (CMUT). Institut také přináší své zkušenosti s simulací tepelné funkčnosti. Dalším úkolem projektu je implementace MEMS technologie, která umožní začlenění organických komponent, jako jsou světelné a fotodiodové prvky, pro monitorování procesu syntézy. Poté budou výzkumníci z Fraunhofer IZI-BB v Postupimi provádět syntetický proces s využitím platformy mikročipů.

Jaké jsou možnosti použití?

Kromě masového ukládání dat existují další aplikace syntetické biologie (viz také obrázek 1). Například Fraunhofer ITEM pracuje na kódovacích metodách v biologických komponentách. Patří sem především chybově korekční kódy a kompresní metody. Tak lze například kódovat obrázky s nízkou pixelovou heterogenitou do DNA, přičemž opakující se báze jsou rozbitím pomocí náhodné masky a data jsou ukládána do plasmidů. Experimentálně je zkoumáno ukládání obrázků do DNA a možnost bezchybného zpřístupnění dat, přičemž bylo vyvinuto kódovací schéma, které umožňuje kompresi a zároveň zabraňuje chybám, které by mohly způsobit posun obrazu.

Prof. Christoph Schäfers, ředitel Institutu pro molekulární biologii a aplikovanou ekologii Fraunhofer IME, vysvětluje další oblast využití syntetické biologie: „Screening humánní toxikologie pomocí syntetické biologie využívá uměle vytvořené biologické systémy k testování vlivu látek na lidské tělo. Tato metoda umožňuje včas odhalit a analyzovat potenciálně škodlivé účinky.“

Jak se výsledky projektu promítají do praxe?

Projekt je podporován skupinou renomovaných poradců z podnikatelské sféry, vědy a praxe, včetně expertů z Univerzity Marburg, XFAB, Infineon, Bundesarchiv a Hybrotec. Dosavadní mezistupňové výsledky projektu budou představeny 21. srpna 2024 během SynBioReactor Summitu v Berlíně na workshopu určeném pro uživatele. Také Prof. Schäfers bude na workshopu diskutovat na téma screening humánní toxikologie. Navíc mají účastníci workshopu možnost přinést a prodiskutovat své individuální nápady na aplikace v tematických skupinách.