pH值也能編程了？

pH值——水溶液中質子的濃度——表示溶液的酸性程度。它規范了廣泛的自然和工程化學過程，包括合成設計的DNA序列應用于生物技術。

在整個水基溶液中均勻地改變pH值是化學中的標準做法。但是，如果研究人員能夠創造一系列局部pH值區域，使質子比溶液的其他部分更密集，會怎么樣呢?這將允許他們在每一個位置并行地進行pH調控的化學反應，極大地提高實驗吞吐量，加快DNA合成過程，這在基因組學、合成生物學、疫苗開發和其他療法以及數據存儲方面有應用。但是確定pH值是一個挑戰，因為質子在水基溶液中擴散很快。

現在，來自哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)的研究人員，與麻省理工學院布羅德研究所和哈佛大學的研究人員，以及專注于臺式酶DNA合成的生物技術公司DNA Script合作，開發了一種控制局部pH值的技術，創建了一個密集的微位點陣列，其中質子數量比溶液其他部分的平均值高出100到1000倍。

SEAS電氣工程與應用物理Gordon McKay教授、該論文的合著者Donhee Ham表示:“這項工作實現了廣泛的pH調控化學的高通量應用，包括生物分子合成。”

“這是由于在半導體集成電路芯片上制造并操作了一組獨特幾何形狀的微米級電化學電池，”該論文的共同資深作者、化學教授馬克·海曼(Mark Hyman Jr.)和物理教授Hongkun Park說。

這項研究發表在《科學進展》雜志上。該半導體芯片的表面有256個電化學電池，直接與醌分子的水基溶液連接。每個細胞看起來像一個帶有兩個同心金屬環的靶心。內環向溶液中注入電流，使醌分子產生質子。這些局部產生的質子試圖擴散，但在外環附近被中和，通過從溶液中拉出電流，從醌分子中通過電化學產生堿分子。因此，局域產生的質子被困在靶心內部和周圍，創造了一個pH值較低的酸性微環境。

論文的第一作者之一、SEAS研究生Han Sae Jung表示:“基本上，在每個激活的電化學電池中，我們利用外環建立了一個電化學壁，內環產生的酸無法穿透這個電化學壁。由于每個電池都由底層的半導體芯片獨立控制，我們可以降低我們選擇激活的256個電化學電池的任意子集的pH值。我們在半導體電子芯片上開發的獨特細胞結構使這種空間選擇性pH編程成為可能。”

“我們的設備不僅可以通過調節每個電化學電池的同心環的電流來定位和精確地調整pH值，而且還可以使用分布在電化學電池陣列上的片上pH傳感器實時監測pH值，”SEAS博士后研究員、該論文的共同第一作者Jung Woo-Bin表示。“因此，我們可以在水溶液中創建任何目標pH值的空間模式，或pH地形，通過我們成像的空間pH模式地圖的實時反饋。”

“傳統的化學DNA合成是在非水介質中完成的，而在水介質中進行的酶催化DNA合成正迅速獲得關注，因為它最大限度地減少了分子損傷和危險廢物的產生，并可以提高合成的速度和性能，”DNA腳本的CTO和論文的合著者Xavier Godron說。“因此，我們對水介質中pH值空間模式的操縱可以導致高通量的酶催化DNA合成，從蛋白質工程、抗體篩選到DNA信息存儲等許多生物技術應用。”

“這項工作顯示了將半導體電子、電化學和分子生物學結合在一起的多學科方法的力量。該技術為一系列額外的生物應用鋪平了道路，包括用于診斷的寡核苷酸庫和基于生物的合成酶開發，”布羅德研究所技術開發高級主任、該論文的合著者羅伯特·尼科爾(Robert Nicol)說。“整合這些不同的學科需要高度協作的團隊，愿意在行業和學術界相互學習。”

CMOS electrochemical pH localizer-imager