pH值也能编程了？

pH值——水溶液中质子的浓度——表示溶液的酸性程度。它规范了广泛的自然和工程化学过程，包括合成设计的DNA序列应用于生物技术。

在整个水基溶液中均匀地改变pH值是化学中的标准做法。但是，如果研究人员能够创造一系列局部pH值区域，使质子比溶液的其他部分更密集，会怎么样呢?这将允许他们在每一个位置并行地进行pH调控的化学反应，极大地提高实验吞吐量，加快DNA合成过程，这在基因组学、合成生物学、疫苗开发和其他疗法以及数据存储方面有应用。但是确定pH值是一个挑战，因为质子在水基溶液中扩散很快。

现在，来自哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员，与麻省理工学院布罗德研究所和哈佛大学的研究人员，以及专注于台式酶DNA合成的生物技术公司DNA Script合作，开发了一种控制局部pH值的技术，创建了一个密集的微位点阵列，其中质子数量比溶液其他部分的平均值高出100到1000倍。

SEAS电气工程与应用物理Gordon McKay教授、该论文的合著者Donhee Ham表示:“这项工作实现了广泛的pH调控化学的高通量应用，包括生物分子合成。”

“这是由于在半导体集成电路芯片上制造并操作了一组独特几何形状的微米级电化学电池，”该论文的共同资深作者、化学教授马克·海曼(Mark Hyman Jr.)和物理教授Hongkun Park说。

这项研究发表在《科学进展》杂志上。该半导体芯片的表面有256个电化学电池，直接与醌分子的水基溶液连接。每个细胞看起来像一个带有两个同心金属环的靶心。内环向溶液中注入电流，使醌分子产生质子。这些局部产生的质子试图扩散，但在外环附近被中和，通过从溶液中拉出电流，从醌分子中通过电化学产生碱分子。因此，局域产生的质子被困在靶心内部和周围，创造了一个pH值较低的酸性微环境。

论文的第一作者之一、SEAS研究生Han Sae Jung表示:“基本上，在每个激活的电化学电池中，我们利用外环建立了一个电化学壁，内环产生的酸无法穿透这个电化学壁。由于每个电池都由底层的半导体芯片独立控制，我们可以降低我们选择激活的256个电化学电池的任意子集的pH值。我们在半导体电子芯片上开发的独特细胞结构使这种空间选择性pH编程成为可能。”

“我们的设备不仅可以通过调节每个电化学电池的同心环的电流来定位和精确地调整pH值，而且还可以使用分布在电化学电池阵列上的片上pH传感器实时监测pH值，”SEAS博士后研究员、该论文的共同第一作者Jung Woo-Bin表示。“因此，我们可以在水溶液中创建任何目标pH值的空间模式，或pH地形，通过我们成像的空间pH模式地图的实时反馈。”

“传统的化学DNA合成是在非水介质中完成的，而在水介质中进行的酶催化DNA合成正迅速获得关注，因为它最大限度地减少了分子损伤和危险废物的产生，并可以提高合成的速度和性能，”DNA脚本的CTO和论文的合著者Xavier Godron说。“因此，我们对水介质中pH值空间模式的操纵可以导致高通量的酶催化DNA合成，从蛋白质工程、抗体筛选到DNA信息存储等许多生物技术应用。”

“这项工作显示了将半导体电子、电化学和分子生物学结合在一起的多学科方法的力量。该技术为一系列额外的生物应用铺平了道路，包括用于诊断的寡核苷酸库和基于生物的合成酶开发，”布罗德研究所技术开发高级主任、该论文的合著者罗伯特·尼科尔(Robert Nicol)说。“整合这些不同的学科需要高度协作的团队，愿意在行业和学术界相互学习。”

CMOS electrochemical pH localizer-imager