BIOSYNTH – „Moduláris mikro-platform a jövő tömeges adat tárolók számára szintetikus biológia segítségével”

Alkalmazási példák szintetikus biológiára. © Fraunhofer IPMS / Alkalmazási példák szintetikus biológiára. © Fraunhofer IPMS

DNS, RNS és PEPTID az jövő tárolóeszközeként – BIOSYNTH projekt. © Fraunhofer IPMS / DNS, RNS és PEPTID a jövő tárolóeszközeként – BIOSYNTH projekt. © Fraunhofer IPMS

A BIOSYNTH projektet a Fraunhofer-Gesellschaft támogatja, és célja egy új mikrochip-platform kifejlesztése, amely hatékony és digitálisan irányított sejtnélküli bioszintézist tesz lehetővé. A Fraunhofer Fotonikai Mikroszisztéma Intézete (IPMS) vezeti a konzorciumot, és együttműködik a Toxikológiai és Kísérleti Orvostudományi Intézettel (ITEM) valamint a Sejtterápiás és Immunológiai Intézettel, a Bioanalitika és Bioprozesszek IZI-BB részlegen, olyan technológiák fejlesztésén, amelyek többek között a jövő nagy adattárolóinak, rendkívül magas tárolási sűrűségű tömeges adattárolóknak, vagy a humántoxikológia szennyezőanyag-szűrésében is alkalmazhatók lehetnek.

Mi az a szintetikus biológia?

A szintetikus biológia egy kutatási terület, amely arra irányul, hogy biológiai rendszereket tervezzen, reprodukáljon vagy módosítson a laboratóriumban. Ez a szabványosított komponensek fejlesztésén keresztül történik, amelyek pontosan összeilleszthetők új egységekké.

A szintetikus DNS-t adattárolásra és tömörítésre lehet használni bináris adatok esetében, ugyanakkor a DNS írása mikrochipekre még mindig nagy kihívás, de egyben jelentős lehetőség is. Az információkat magas sűrűségben lehet tárolni mikrochipeken, ha a bázispárokat speciálisan és digitálisan irányított háromdimenziós elrendezésben helyezik el.

Emellett a konzorcium további alkalmazásokat is kutat, például a kórokozók felismerését szennyvízben – vagyis szenzoros megközelítéseket. Ezeket különösen egy felhasználói workshopon fogják megvitatni a Német Szintetikus Biológia Társaság SynBioReactor csúcstalálkozója keretében, 2024. augusztus 21-én Berlin-Adlershofban.

Mit tesz hozzá a BIOSYNTH a folyamatok fejlesztéséhez?

A BIOSYNTH projekt célja a mai mikrobiális szintézis teljesítményének javítása, három Fraunhofer-intézet szakértelmének összefogásával. Modern mikroszisztéma-technológiával egy univerzális mikrochip-platformot kutatnak, amely DNS, RNS és peptid írására alkalmas. A korábbi szintézis módszerek, például a „Spotting” technika, különösen hosszú DNS-szakaszok előállításánál hatékonytalanok, és hajlamosak pontatlanságokra, melyek javítása idő- és költségigényes. Emellett a jelenlegi berendezéstechnika nagy és drága.

„A BIOSYNTH projekt ezért a mikroszisztéma-technológiai és biológiai alapokat kutatja a fejlett mikrobiális magas átviteli sebességű szintézishez, amely magában foglalja a rendkívül magas tárolási sűrűségű és öregedésálló biológiai tömeges adattárolókat, valamint alkalmazásokat a biológiában, biokémiában vagy alkalmazott ökológiában,” magyarázza Dr. Uwe Vogel, a Fraunhofer IPMS konzorciumvezetője.

A kutatók egy olyan platformot fejlesztenek, amely a hagyományos mikrochip-gyártási technikákon alapul, és lehetővé teszi szoftver által meghatározott nukleotid szekvenciák (DNS, RNS vagy peptidek) írását. Ez a platform például lehetővé teszi biológiai tömeges adattárolók megvalósítását nagy párhuzamosságú és nagy átviteli sebességű eljárásokhoz, hasonlóan a mikroelektronikai ipar volumengyártási folyamataihoz. A platform, amely mikroelektronikai módszerekkel tervezett és gyártott, miniaturizált reakciócellákat integrál mikro-méretű szinten, amelyek reakciótérfogatai pikoliter tartományban vannak, sejtnélküli szintézishez egy szabadon programozható aktiv-mátrix-állományban. Speciális termikus és fotonikus komponensek, valamint a reakciócellák felületének funkcionalizálása lehetővé teszi a szállítást, az immobilizálást, az aktiválást és a folyamatfeltárást, valamint az eredmények monitorozását.

A Fraunhofer IPMS fejleszti a CMOS- hátlap beépített áramkörét, amely a bioszintézishez szükséges mikrohőmérséklet-szabályozó és olvasó egységek vezérlését és adatkinyerését szolgálja. Ez az áramkör az OLED- és fotodetektor-pixel-ekhez is használatos lesz az aktiv-mátrix elrendezésben, valamint egy tesztkészlethez. Emellett az intézet felelős a mikrochip platform „Thermo” szintjének fejlesztéséért is, amely a hőmérséklet szabályozását mikromechanikus felületi struktúrákkal teszi lehetővé, hasonlóan a kapacitív mikromechanikus ultrahangos transzducerek (CMUT) technológiájához. Az intézet szintén hozzájárul a termikus funkciók szimulációjához. Egy másik feladata a MEMS-technológia megvalósítása, amely lehetővé teszi organikus komponensek, például fénykeltő és fotodiódák integrálását a szintézis monitorozására. Ezután a Fraunhofer IZI-BB kutatói Potsdamban végzik el a szintézis folyamatát a mikrochip platform segítségével.

Milyen alkalmazások léteznek?

A tömeges adattárolás mellett további alkalmazások is léteznek a szintetikus biológiában (lásd az 1. ábrát). A Fraunhofer ITEM például a biológiai komponensek kódolási módszerein dolgozik, ideértve különösen a hibajavító kódokat és a tömörítési eljárásokat. Így például képeket is lehet DNS-ben kódolni alacsony pixelheterogenitással, ahol a ismétlődő bázisokat véletlenszerű maszk segítségével törik meg, és az adatokat plazmidokban tárolják. A DNS-ben tárolt képek és a hibamentes visszanyerés kísérleti vizsgálata folyik, és kifejlesztettek egy kódolási sémát, amely lehetővé teszi a tömörítést és elkerüli a hibák okozta képoszcillációkat.

Prof. Christoph Schäfers, a Fraunhofer Molekuláris Biológiai és Alkalmazott Ökológiai Intézet (IME) igazgatója ismertet egy további alkalmazási területet: „A humántoxikológia szűrése a szintetikus biológia segítségével olyan mesterségesen előállított biológiai rendszerek alkalmazását jelenti, amelyekkel a szerek hatásait lehet tesztelni az emberi szervezetben. Ez a módszer lehetővé teszi a potenciálisan káros hatások korai felismerését és elemzését.”

Hogyan kerülnek az eredmények a gyakorlatba?

A projektet egy neves tanácsadói csoport támogatja, amely gazdasági, tudományos és gyakorlati szakemberekből áll, többek között a Marburgi Egyetem, az XFAB, az Infineon, a Szövetségi Levéltár és a Hybrotec képviselői. A projekt eddigi közbenső eredményeit 2024. augusztus 21-én, a SynBioReactor csúcstalálkozón Berlinben, egy felhasználói workshop keretében mutatják be. Schäfers professzor is részt vesz a humántoxikológia szűréséről szóló workshopon, ahol a résztvevők megvitathatják az eredményeket. Emellett a workshop résztvevői lehetőséget kapnak arra, hogy saját alkalmazási ötleteiket bemutassák és megvitassák a témák szigeteiben.