BIOSYNTH – „Modularna mikro-platforma dla przyszłych masowych pamięci danych z biologii syntetycznej”

Przykłady zastosowań biologii syntetycznej. © Fraunhofer IPMS / Przykłady zastosowań biologii syntetycznej. © Fraunhofer IPMS

DNA, RNA i PEPTYD jako nośnik danych przyszłości – projekt BIOSYNTH. © Fraunhofer IPMS / DNA, RNA i PEPTYD jako nośnik danych przyszłości – projekt BIOSYNTH. © Fraunhofer IPMS

Projekt BIOSYNTH jest finansowany przez Gesellschaft Fraunhofer i ma na celu opracowanie nowej platformy mikroczipów, która umożliwi efektywną i cyfrowo sterowaną biosyntezę bezkomórkową. Konsorcjum kieruje Instytut Fotonicznych Mikrosystemów Fraunhofer IPMS, współpracując z Instytutem Toksikologii i Medycyny Eksperymentalnej ITEM oraz Instytutem Terapii Komórkowej i Immunologii, częścią Bioanalizy i Procesów Biologicznych IZI-BB, nad technologiami, które m.in. mogą znaleźć zastosowanie w przyszłych masowych pamięciach danych o bardzo wysokiej gęstości zapisu lub w testach toksykologicznych w ramach humantoksykologii.

Co to jest syntetyczna biologia?

Syntetyczna biologia to dziedzina badań, która ma na celu projektowanie, odtwarzanie lub modyfikację systemów biologicznych w laboratorium. Odbywa się to poprzez rozwijanie standaryzowanych komponentów, które można precyzyjnie łączyć w nowe jednostki.

Syntetyczna DNA może być wykorzystywana do przechowywania i kompresji danych binarnych, przy czym zapis DNA na mikroczipach stanowi jeszcze duże wyzwanie, ale także istotną szansę. Informacje mogą być przechowywane na mikroczipach w wysokiej gęstości, poprzez specyficzne i cyfrowo sterowane trójwymiarowe ułożenie par zasad.

Oprócz tego konsorcjum bada inne zastosowania syntetycznej biologii, takie jak wykrywanie patogenów w ściekach – czyli podejścia sensorowe. Szczególnie takie rozwiązania będą omawiane podczas warsztatów dla użytkowników w ramach szczytu SynBioReactor organizowanego przez Niemieckie Towarzystwo Syntetycznej Biologii 21 sierpnia w Berlinie-Adlershof.

Jak BIOSYNTH przyczynia się do ulepszania procesów?

Projekt BIOSYNTH ma na celu poprawę obecnej wydajności biosyntezy mikrobiologicznej poprzez zintegrowanie wiedzy trzech instytutów Fraunhofer. Przy użyciu nowoczesnej technologii mikrosystemowej badana jest uniwersalna platforma mikroczipowa, która może być wykorzystywana do zapisywania DNA, RNA i peptydów. Dotychczasowe metody syntezy, na przykład poprzez tzw. „spotting”, są nieefektywne, zwłaszcza przy tworzeniu długich segmentów DNA i mają tendencję do niedokładności, których korekta jest czasochłonna i kosztowna. Ponadto obecna technologia urządzeń jest duża i kosztowna.

„Projekt BIOSYNTH ma na celu zatem badanie podstaw mikrotechnologii i biologii dla zaawansowanej wysokoprzepustowej mikrobiologicznej syntezy w wysoko zintegrowanych mikroczipach z komponentami termicznymi, fotonicznymi i fluidycznymi, które mogą adresować zarówno biologiczne masowe pamięci danych o ekstremalnie wysokiej gęstości i odporności na starzenie, jak i zastosowania w biologii, biochemii czy ekologii stosowanej,” wyjaśnia dr Uwe Vogel, kierownik konsorcjum z Fraunhofer IPMS.

Badacze rozwijają platformę opartą na tradycyjnych technikach produkcji mikroczipów, umożliwiającą zapis sekwencji nukleotydów (DNA, RNA lub peptydów) za pomocą oprogramowania. Platforma ta pozwala na implementację biologicznych masowych pamięci danych do wysokiej równoległości i wysokoprzepustowych procedur, podobnie jak w produkcji mikroelektroniki. Platforma, projektowana i wytwarzana metodami mikroelektroniki, integruje miniaturowe komórki reakcyjne na poziomie mikrometrów, z objętościami reakcji w zakresie pikolitrów, do biosyntezy bezkomórkowej w programowalnej macierzy aktywnej. Dzięki specjalnym komponentom termicznym i fotonicznym oraz funkcjonalizacji powierzchni każdej komórki reakcyjnej umożliwione jest transport, immobilizacja, aktywacja oraz monitorowanie warunków i wyników procesu.

Fraunhofer IPMS rozwija zintegrowany układ CMOS-Backplane, który służy do sterowania i odczytu mikrogrzałek do biosyntezy. Układ ten jest również wykorzystywany do pikseli OLED i fotodetektorów w układzie macierzy aktywnej oraz do odpowiedniej konfiguracji testowej. Dodatkowo instytut jest odpowiedzialny za rozwój warstwy „Thermo” platformy mikroczipowej, która umożliwia regulację temperatury biosyntezy za pomocą mikro-mechanicznych struktur powierzchniowych, podobnych do technologii kapacytowych mikro-mechanicznych przetworników ultradźwiękowych (CMUT). Instytut wnosi także swoją wiedzę w zakresie symulacji funkcjonalności termicznej. Kolejnym zadaniem w projekcie jest wdrożenie technologii MEMS, pozwalającej na integrację organicznych komponentów, takich jak diody świecące i fotodiodami, do monitorowania procesu syntezy. Następnie naukowcy z Fraunhofer IZI-BB w Poczdamie przeprowadzą syntezę za pomocą platformy mikroczipowej.

Jakie są zastosowania?

Oprócz masowego przechowywania danych, syntetyczna biologia ma także inne zastosowania (patrz również rysunek 1). Na przykład Fraunhofer ITEM pracuje nad metodami kodowania w komponentach biologicznych, w tym szczególnie nad kodami korekcyjnymi błędów i metodami kompresji. Można na przykład kodować obrazy o niskiej heterogeniczności pikseli w DNA, rozbijając powtarzające się podstawy za pomocą maski losowej i zapisując dane w plazmidach. Eksperymentalnie badane są przechowywanie obrazów w DNA oraz możliwość bezbłędnego odczytu, a opracowano schemat kodowania, który umożliwia kompresję i unika przesunięć obrazu spowodowanych błędami.

Prof. Christoph Schäfers, dyrektor Instytutu Molekularnej Biologii i Stosowanej Ekologii Fraunhofer IME, wyjaśnia kolejne zastosowanie syntetycznej biologii: „Screening humantoksykologii z wykorzystaniem syntetycznej biologii korzysta z sztucznie wytworzonych systemów biologicznych, aby testować wpływ substancji na ludzkie ciało. Metoda ta pozwala na wczesne wykrywanie i analizę potencjalnie szkodliwych skutków.”

Jak wyniki projektu trafiają do praktyki?

Projekt jest wspierany przez grupę renomowanych doradców z przemysłu, nauki i praktyki, w tym ekspertów z Uniwersytetu w Marburgu, XFAB, Infineon, Archiwum Federalnego oraz Hybrotec. Dotychczasowe wyniki projektu zostaną zaprezentowane 21 sierpnia 2024 roku podczas szczytu SynBioReactor w Berlinie, w ramach warsztatu dla użytkowników. Prof. Schäfers również weźmie udział w warsztacie dotyczącym screeningu humantoksykologii, będącym przedmiotem dyskusji. Dodatkowo uczestnicy warsztatu będą mieli możliwość wniesienia i omówienia własnych pomysłów na zastosowania w tematycznych strefach.