Ilmuwan Harvard baru saja melakukan sesuatu yang terasa seperti berasal dari era komputasi yang berbeda. Mereka mengubah chip silikon menjadi pabrik DNA.
Penyiapannya sederhana, hampir elegan dalam pembalikannya. Alih-alih memompa pelarut organik berbahaya melalui mesin untuk membuat kode genetik, mereka menggunakan air dan listrik. Hasilnya? Metode yang lebih bersih dan tepat untuk memproduksi DNA yang dapat mengubah cara kita membangun elemen kehidupan—dan data.
Ini bukan sekadar pembaruan tambahan pada alat bioteknologi. Ini adalah perubahan mendasar dalam cara kita mendekati sintesis DNA enzimatik. Dan itu dimulai dengan sebuah chip yang awalnya dirancang untuk ilmu saraf.
Pembuatan DNA Bebas Pelarut
Untuk memahami mengapa hal ini penting, Anda harus melihat bagaimana kita membuat DNA sintetis saat ini. Ini sebagian besar dilakukan melalui kimia fosforamidit. Memang sulit, tetapi kerugiannya nyata. Itu bergantung pada pelarut organik beracun. Ini berantakan. Dan karena sifat kimia tersebut, hal ini biasanya dilakukan di fasilitas yang besar dan terpusat, bukan di laboratorium kecil.
Alternatifnya adalah sintesis enzimatik. Itu terjadi di dalam air. Ini meniru cara sel-sel hidup secara alami merakit DNA. Ini lebih aman. Ini lebih hijau.
Tapi ada masalah sejarah. Hingga saat ini, metode enzimatik masih tertinggal jauh dibandingkan metode kimia konvensional dalam hal kecepatan dan skala. Sistem sebelumnya hanya dapat membuat sekitar selusin rangkaian DNA sekaligus. Ini bagus untuk sampel penelitian, tetapi tidak sesuai dengan kebutuhan industri.
Tim Harvard, yang dipimpin oleh Donhee Ham di Paulson School of Engineering and Applied Sciences, mengubah perhitungan tersebut. Makalah mereka di Nature Electronics merinci chip silikon yang mensintesis 64 rangkaian DNA berbeda secara bersamaan. Setiap urutan panjangnya mencapai 39 nukleotida.
Angka tersebut—64—merupakan patokan baru untuk sintesis DNA enzimatik dalam air secara paralel. Ini adalah lompatan yang berbeda dari selusin urutan langit-langit di masa lalu.
Bagaimana Arus Presisi Mengontrol Pertumbuhan DNA
Tantangannya bukan hanya membangun satu bidang saja. Ia mengendalikan 64 dari mereka sekaligus tanpa mengganggu satu sama lain.
DNA menumbuhkan satu nukleotida pada satu waktu. Namun sebelum bagian baru dapat ditambahkan, grup pemblokiran sementara harus dihapus dari grup sebelumnya. Penghapusan ini disebut deproteksi.
Dalam sistem berbasis air ini, deproteksi memerlukan penurunan pH—lingkungan yang asam.
Jika Anda menuangkan asam ke seluruh chip, semuanya akan bereaksi. Semuanya akan tumbuh sekaligus. Kekacauan.
Chip Harvard menyelesaikan masalah ini dengan listrik.
Permukaannya menampilkan 64 situs berbeda. Setiap situs memegang untaian DNA di tengahnya, dikelilingi oleh dua elektroda cincin konsentris. Prosesnya bedah:
- Untuk menambahkan nukleotida ke situs tertentu, chip mengirimkan arus ke cincin dalam.
- Reaksi ini menghasilkan proton, yang secara instan menurunkan pH di sekitar untai DNA spesifik tersebut.
- Pertumbuhan enzimatik dimulai.
- Secara bersamaan, cincin luar menarik arus ke arah yang berlawanan, menyerap proton yang menyimpang sebelum mereka dapat melayang.
Bidang penahanan ini mencegah keasaman merembes ke tempat-tempat di sekitarnya. Dengan mengalirkan arus melalui situs yang berbeda, chip tersebut membangun 64 rangkaian terpisah secara paralel.
Ini adalah injeksi arus yang tepat, disesuaikan untuk molekul, bukan neuron.
Dari Neuron ke Nukleotida
Ironisnya, pabrik DNA ini awalnya tidak dirancang untuk biologi. Ini dimulai di laboratorium Ham sebagai alat untuk merekam aktivitas saraf.
Mantan mahasiswa PhD Jeffrey Abbott mengembangkan platform silikon untuk menangkap sinyal dari ribuan neuron. Ini memetakan koneksi sinaptik dengan ketelitian tinggi. Tim bahkan meningkatkannya hingga mencatat puluhan ribu koneksi.
Lalu Ham berpikir.
Fitur khas chip ini adalah kemampuannya untuk menyuntikkan arus dengan presisi ekstrim. Mereka menggunakannya untuk menembus membran saraf. Mengapa tidak mengalihkan target dari sel ke molekul?
“Kami bertanya-tanya apakah kendali arus yang sama dapat diarahkan dari sel ke molekul,” jelas Ham. “Itu berhasil.”
Mereka mengganti elektroda yang menghadap neuron dengan pasangan cincin-elektroda yang dijelaskan di atas. Perangkat kerasnya sebagian besar tetap sama. Aplikasinya terbalik seluruhnya.
Penyimpanan Data DNA dan Dampak Lingkungan
Selain bioteknologi dasar, ada kasus penggunaan yang lebih ambisius yang mengintai di sini: penyimpanan data DNA.
Para peneliti mendemonstrasikan hal ini dengan mengkodekan string teks 169 byte ke dalam 64 rangkaian DNA mereka. Ini adalah bukti konsep skala kecil. Namun dampaknya sangat besar.
Penyimpanan digital kehabisan ruang. DNA itu padat. Satu gram DNA secara teoritis dapat menampung semua data yang pernah dibuat oleh umat manusia. Namun menyimpan data memerlukan produksi DNA dalam jumlah besar.
Manufaktur berbasis pelarut saat ini tidak dapat berkembang secara efisien tanpa menghasilkan limbah kimia dalam jumlah besar. Sintesis enzimatik berbasis air mengubah persamaan tersebut.
“Penyimpanan data DNA meminta sintesis DNA untuk beroperasi pada skala yang jauh melampaui kebutuhan saat ini,” kata Woo-Bin Jung, salah satu penulis pertama dan sekarang menjadi profesor di POSTECH. “Sintesis enzimatik dalam air penting karena menawarkan jalur ramah lingkungan menuju penulisan DNA dalam volume yang sangat besar.”
Jika skala paralelisasi melampaui 64 urutan, manfaat lingkungan akan bertambah. Lebih sedikit pelarut. Lebih sedikit limbah. Biomanufaktur yang lebih bersih.
Dimana Kimianya Rusak
Perangkat kerasnya berfungsi. Listrik melokalisasi pH dengan sempurna. Tapi kimianya punya kekurangan.
Ketika tim mencoba mendekatkan lokasi sintesis, percobaan tersebut gagal. Bukan karena chipnya tidak berfungsi, tapi karena reaksinya sendiri yang terlalu berantakan.
PH rendah tidak menghilangkan gugus pemblokiran secara langsung. Ini menghasilkan molekul perantara yang melakukan pekerjaan itu. Molekul-molekul ini tidak stabil. Mereka hanyut.
Mereka lolos dari zona pH terkontrol yang ditentukan oleh elektroda. Mereka berpindah ke lokasi tetangga dan memicu reaksi di sana. “Pulau” keasaman bocor. Presisinya gagal.
“Chip ini melakukan persis seperti yang kami minta,” kata Han Sae Jung, salah satu penulis pertama. “Keterbatasannya adalah bahan kimia deproteksi.”
Solusinya bukanlah silikon yang lebih baik. Ini kimia yang lebih baik.
Saat ini, lapangan tersebut memerlukan metode deproteksi berbasis asam yang tidak menghasilkan zat antara yang melayang. Reaksi kimia yang lebih langsung yang dapat mengimbangi presisi elektronik yang sudah ada di dalam chip.
Sampai saat itu, 64 sekuens adalah batas kepadatan pengepakan. Namun jalan ke depan sudah jelas.
Ini bukan lagi masalah elektronik. Itu adalah teknik kimia. Dan seseorang harus menyelesaikannya selanjutnya.
Referensi: “Sintesis DNA enzimatik paralel menggunakan semikonduktor芯片” oleh Woo-Bin Jung, Han Sae J., Jun W., dkk., Nature Electronics, 17 Juni 2026.
