算數學的晶片也能寫 DNA？哈佛顛覆性研究讓矽晶片變成「造物工廠」

哈佛大學領導的研究團隊近日發表了一項結合半導體與生物技術的顛覆性成果：成功將傳統用於處理資訊的「矽晶片」，改造成能夠「書寫」DNA 的微型裝置。

這項研究於 7 月 9 日前後曝光，採用了創新的「水相酵素法」，能同步合成 64 條不同的 DNA 序列。這標誌著矽晶片正大舉跨足合成生物學、醫療診斷與 DNA 資料儲存等前瞻應用領域。本研究已正式刊登於頂尖期刊《Nature Electronics》，由哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院教授 Donhee Ham 領軍。

告別有毒溶劑，擁抱溫和環保新製程

研究團隊指出，目前客製化合成 DNA 多半仰賴技術成熟的「亞磷醯胺化學法」。這種方法雖然能大規模平行製造數百萬條序列，但過程中必須使用具危害性的有機溶劑，且通常受限於集中式的專業設施。

相較之下，哈佛團隊開發的新方法改採水相酵素反應，不僅為 DNA 合成提供了更溫和的環境，也大幅降低了對環境的衝擊，成為更具潛力的環保替代方案。

這款特製晶片的表面設有 64 個合成位點，每個位點中央都固定著 DNA 分子，外圍則配置了「同心環狀電極」。其運作原理如下：

啟動合成（內圈電極）：研究人員透過精準控制微小電流，在指定位置的內圈電極產生質子，從而降低局部的酸鹼值（pH 值）。這會啟動「去保護反應」，讓 DNA 得以逐一加入核苷酸，不斷延長鏈長。
限制範圍（外圈電極）：為了防止酸性物質干擾鄰近位點，外圈電極負責移除向外擴散的質子，將酸性區域嚴格限制在單一合成位點內。

透過重複多輪這樣的循環，晶片便能在 64 個不同位置上，各自獨立合成出截然不同的 DNA 序列。團隊表示，這套系統目前已可同時製造 64 條長度達 39 個核苷酸的 DNA 序列，一舉打破過去酵素法通常只能同時處理十多條序列的限制，締造了該領域的全新里程碑。

令人意外的是，這項晶片技術最初根本不是為了製造 DNA 而設計的。

研究人員透露，這個矽電子平台的前身，是由 Ham 實驗室前博士生 Jeffrey Abbott 所開發，原本的用途是為了記錄大量神經元的電氣活動。在重新設計表面電極後，團隊靈機一動，發現這種用來穿透細胞膜的「精準電流注入能力」，也能轉而用來控制 DNA 合成所需的局部化學環境，最終促成了這項驚豔的跨領域應用。

DNA 儲存潛力與下階段挑戰

除了醫療與生物學用途，團隊也實際展示了「DNA 資料儲存」的龐大潛力：他們利用這 64 條合成出來的 DNA 序列，成功編碼了一段 169 位元組（bytes）的文字內容。研究人員強調，未來若要讓 DNA 資料儲存真正普及，勢必需要超大規模的製造能力；屆時，能減少溶劑使用的水相酵素合成法，將在降低環境衝擊上展現絕對優勢。

不過，研究團隊也坦言擴充規模仍有瓶頸：他們曾嘗試將合成位點排列得更密集以提升產能，但並未成功。分析後發現，問題不在於晶片控酸的能力，而是出在「化學機制」上。目前的低 pH 值環境並非直接移除阻擋基，而是會先生成「中間分子」來完成去保護反應；這些中間分子容易漂移到鄰近位點，進而干擾了反應的獨立性。

因此，下一個關鍵突破點將不再是晶片本身的微縮，而是開發更直接、能與晶片精準控制能力完美匹配的「酸驅動去保護化學技術」。一旦解決這個化學難題，這類平台將能朝向更高的平行度發展，甚至有望實現「可攜式 DNA 書寫設備」的未來構想。