BIOSYNTH – „Modulaire micro-platform voor toekomstige grootschalige dat opslag uit synthetische biologie“

Voorbeelden van toepassingen voor synthetische biologie. © Fraunhofer IPMS / Toepassingsvoorbeelden voor synthetische biologie. © Fraunhofer IPMS

DNA, RNA en PEPTIDE als opslagmedium van de toekomst – project BIOSYNTH. © Fraunhofer IPMS / DNA, RNA en PEPTIDE als opslagmedium van de toekomst – project BIOSYNTH. © Fraunhofer IPMS

Het BIOSYNTH-project wordt gefinancierd door de Fraunhofer-Gesellschaft en heeft als doel het ontwikkelen van een nieuw microchip-platform dat efficiënte en digitaal bestuurbare celvrije biosynthese mogelijk maakt. Het Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS leidt het consortium en werkt samen met het Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM en het Institut für Zelltherapie und Immunologie, onderdeel Bioanalytik und Bioprozesse IZI-BB, aan technologieën die onder andere kunnen worden ingezet voor toekomstige massadataspeichers met zeer hoge dichtheid of ook in de schadstoffscreening van de humane toxicologie.

Wat is synthetische biologie?

Synthetische biologie is een onderzoeksgebied dat gericht is op het ontwerpen, nabootsen of modificeren van biologische systemen in het laboratorium. Dit gebeurt door het ontwikkelen van gestandaardiseerde componenten die precies kunnen worden samengevoegd tot nieuwe eenheden.

Synthetisch DNA kan worden gebruikt voor het opslaan en comprimeren van binaire gegevens, waarbij het schrijven van DNA op microchips nog een grote uitdaging, maar ook een belangrijke kans vormt. Informatie kan op microchips in hoge dichtheid worden opgeslagen door basenparen specifiek en digitaal bestuurbaar driedimensionaal te ordenen.

Daarnaast onderzoekt het consortium verdere toepassingen van synthetische biologie, zoals het herkennen van ziekteverwekkers in afvalwater — dus ook sensorische benaderingen. Vooral deze zullen worden besproken tijdens een gebruikersworkshop in het kader van de SynBioReactor Summit van de Deutsche Gesellschaft für Synthetische Biologie op 21 augustus in Berlijn-Adlershof.

Wat draagt BIOSYNTH bij aan procesverbetering?

Het BIOSYNTH-project heeft als doel de huidige prestaties van microbiële synthese te verbeteren door de expertise van drie Fraunhofer-instituten te bundelen. Met behulp van moderne microsysteemtechnologie wordt een universeel microchip-platform onderzocht dat kan worden gebruikt voor het schrijven van DNA, RNA en peptiden. Bestaande synthesemethoden, bijvoorbeeld door zogenaamde 'spotting', zijn inefficiënt, vooral bij het genereren van lange DNA-segmenten en neigen naar onnauwkeurigheden, waarvan de correctie zowel tijdrovend als kostbaar is. Bovendien is de huidige apparaattechnologie groot en kostbaar.

“Het BIOSYNTH-project wil daarom de microsysteemtechnische en biologische fundamenten onderzoeken voor geavanceerde microbiële high-throughput-synthese in hoog geïntegreerde microchips met thermische, fotonische en vloeistofcomponenten, die zowel biologische massadataspeichers met extreem hoge dichtheid en verouderingsbestendigheid als toepassingen in biologie, biochemie of toegepaste ecologie adresseren,” legt Dr. Uwe Vogel, consortiumleider van het Fraunhofer IPMS, uit.

De onderzoekers ontwikkelen een platform dat gebaseerd is op conventionele microchip-productietechnieken om software-gedefinieerde nucleotidensequenties (DNA, RNA of peptiden) te schrijven. Dit platform maakt het bijvoorbeeld mogelijk om biologische massadataspeichers te implementeren voor hoogparallele en hoogdoorvoersystemen, vergelijkbaar met de volumebewerkingsprocessen in de micro-elektronica-industrie. Het platform, dat met micro-elektronische methoden wordt ontworpen en vervaardigd, integreert geminiaturiseerde reactiecellen op micrometer-niveau, met reactievormen in de pikoliter-range, voor celvrije synthese in een vrij programmeerbaar actief-matrix-array. Door speciale thermische en fotonische componenten en de functionalisering van het oppervlak van elke reactiecelle wordt transport, immobilisatie, activering en monitoring van de procescondities en -resultaten mogelijk gemaakt.

Het Fraunhofer IPMS ontwikkelt de geïntegreerde schakeling van de CMOS-backplane, die dient voor de besturing en uitlezing van de micro-heaters voor biosynthese. Deze schakeling wordt ook gebruikt voor de OLED- en fotodetector-pixels in de actief-matrix-indeling, evenals voor een bijbehorende testopstelling. Daarnaast is het instituut verantwoordelijk voor de ontwikkeling van de 'Thermo'-laag van het microchip-platform, die de temperatuurregeling voor de biologische synthese mogelijk maakt door middel van micromechanische oppervlaktestrukturen, vergelijkbaar met de technologie van capacitieve micromechanische ultrasone transducers (CMUT). Het instituut brengt ook zijn expertise in de simulatie van thermische functionaliteit in. Een andere taak in het project is de implementatie van MEMS-technologie, waarmee organische componenten zoals lichtgevende en fotodioden kunnen worden geïntegreerd voor het monitoren van het syntheseproces. Vervolgens zullen onderzoekers van het Fraunhofer IZI-BB in Potsdam het syntheseproces uitvoeren met behulp van het microchip-platform.

Welke toepassingen zijn er?

Naast de massadatastructuur zijn er andere toepassingen voor synthetische biologie (zie ook Figuur 1). Zo werkt het Fraunhofer ITEM bijvoorbeeld aan coderingsmethoden in biologische componenten. Dit omvat onder andere foutencorrectie-codes en compressiemethoden. Zo kan men ook beelden met lage pixelheterogeniteit coderen in DNA, door de herhalende basen te breken met een willekeurige masker en de gegevens op plasmiden op te slaan. De opslag van beelden in DNA en de mogelijkheid tot foutloze opvraging worden experimenteel onderzocht, en er is een coderingsschema ontwikkeld dat compressie mogelijk maakt en door fouten veroorzaakte beeldverschuivingen voorkomt.

Prof. Christoph Schäfers, directeur van het Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Ökologie IME, licht een ander toepassingsgebied van synthetische biologie toe: “Het screeningproces van de humane toxicologie met behulp van synthetische biologie maakt gebruik van kunstmatig vervaardigde biologische systemen om de effecten van stoffen op het menselijk lichaam te testen. Deze methode maakt het mogelijk om potentieel schadelijke effecten vroegtijdig te herkennen en te analyseren.”

Hoe worden de resultaten van het project in de praktijk gebracht?

Het project wordt ondersteund door een groep gerenommeerde adviseurs uit het bedrijfsleven, de wetenschap en de praktijk, waaronder experts van de Universiteit Marburg, XFAB, Infineon, het Bundesarchiv en Hybrotec. De voorlopige resultaten van het project worden op 21 augustus 2024, tijdens de SynBioReactor Summit, in Berlijn gepresenteerd in een workshop voor gebruikers. Ook Prof. Schäfers zal tijdens de workshop over screening van de humane toxicologie voor discussies beschikbaar zijn. Daarnaast krijgen deelnemers aan de workshop de mogelijkheid om in thematische 'eilandjes' individuele toepassingsideeën in te brengen en te bespreken.