شبیه سازی سنتز دی ان ای (DNA) با کامسول

شبیه سازی سنتز دی ان ای (DNA) با کامسول ویرایش ژنوم در سلول های جسمی پتانسیل را برای درمان طیف گسترده ای از بیماری های ژنتیکی نشان می دهد. از زمان توسعه CRISPR-Cas9، یک ابزار قدرتمند ویرایش ژنوم، تقاضا برای فناوری سنتز DNA افزایش یافته است. یک شرکت نوپا مستقر در بریتانیا در حال توسعه یک پلت فرم دسکتاپ برای سنتز DNA بسیار موازی، دقیق و مقیاس پذیر است که افق زیست شناسی مصنوعی را گسترش می دهد.

مرزهای جدید در تحقیقات DNA

سنتز DNA به طور سنتی با ساختن شیمیایی رشته‌ای از بازها برای ایجاد یک بخش از یک رشته انجام می‌شود، سپس بخش‌های رشته‌ای را به یکدیگر وصل می‌کنند تا DNA دو رشته‌ای را تشکیل دهند. این می تواند پرهزینه و بسیار وقت گیر باشد و پیشرفت کاربردهای حیاتی زیست شناسی مصنوعی را محدود کند. یک پلت فرم DNA رومیزی که می تواند کل توالی ژن را سنتز کند، چشم انداز سنتز DNA را در هر آزمایشگاه تغییر می دهد. Evonetix، یک استارت آپ مستقر در کمبریج، بریتانیا، در حال توسعه یک سیستم آزمایشگاهی سیلیکونی روی تراشه برای تحقق این هدف است.

آموزش کامسول شبیه سازی سنتز دی ان ای (DNA) با کامسول

پلتفرمی که  در حال توسعه است شامل یک تراشه سیلیکونی است که حاوی چندین مکان واکنش است که هر یک می توانند یک رشته DNA مجزا را به صورت موازی سنتز کنند. هر سایت دارای لایه ای از طلا است که واکنش های بیوشیمیایی روی آن انجام می شود. همچنین مناطق نگهبانی وجود دارد که به صورت حرارتی مکان ها را از مناطق غیرفعال در بین جدا می کند. کنترل حرارتی یکی از مهمترین جنبه های تراشه است. برای تسریع و کاهش سرعت واکنش‌ها در مکان‌های جداگانه روی تراشه استفاده می‌شود، و به طور موثری مانند یک کلید چراغ، آن‌ها را روشن و خاموش می‌کند. کنترل حرارتی همچنین دمای حجم سیال را در محل‌های واکنش به طور دقیق و مستقل از یکدیگر کنترل می‌کند – این کنترل «چاه‌های حرارتی مجازی» را ایجاد می‌کند و نیاز به موانع فیزیکی بین مکان‌های واکنش را از بین می‌برد و اجازه می‌دهد تا معرف‌ها جریان داشته باشند. هزاران سایت به طور همزمان به این ترتیب، هنگامی که مایع حاوی معرف‌های شیمیایی بر روی مکان‌ها جریان می‌یابد، بسته به دما در قالبی بسیار موازی، واکنش‌ها رخ می‌دهند (یا نمی‌شوند).

یکی دیگر از جنبه های تراشه روش تشخیص خطا اختصاصی آن است که بازده را افزایش می دهد. توالی‌های DNA رشد یافته در محل‌های واکنش به‌طور خودکار برای حذف خطاها قبل از ترکیب آن‌ها در توالی‌های ژنی طولانی‌تر و با وفاداری بالا، خالص می‌شوند. میتوانید برای آموزش comsol اقدام کنید.

اهداف طراحی این تراشه در کامسول پروژه

برای اینکه تراشه سیلیکونی بتواند DNA را تا حد ممکن به طور موثر سنتز کند، تیم Evonetix مجبور شد هندسه و مواد آن را بهینه کند. آنها سه هدف اصلی طراحی برای تراشه داشتند:

دمای یکنواخت در سراسر محل واکنش

افزایش دمای بالا در واحد توان در محل واکنش
مشخصات دمایی قوی در طول جریان سیال

دمای یکنواخت مهم است زیرا کنترل دقیق واکنش ها را امکان پذیر می کند.  «واکنش‌های شیمیایی با دما روشن می‌شوند و ما می‌خواهیم سرعت واکنش‌ها را دقیقاً کنترل کنیم. افزایش دمای بالا در واحد توان، نیاز کلی به توان تراشه را پایین نگه می دارد. در نهایت، یک پروفایل درجه حرارت قوی روی تراشه تضمین می کند که واکنش ها می توانند تحت شرایط جریان سیال انجام شوند. مقایسه مدل با آزمایش
پس از استفاده از شبیه‌سازی برای پیش‌بینی هندسه و مواد بهینه برای تراشه سیلیکونی،  آماده حرکت به مرحله نمونه‌سازی بود. آنها از نمونه اولیه تراشه‌ها برای اجرای آزمایش‌های الکترونیکی استفاده کردند، سپس نتایج را با شبیه‌سازی‌ها مقایسه کردند. اگر علاقه مند به مقاله شبیه سازی تریبوالکتریک (Triboelectric) با کامسول، هستید آنرا مطالعه کنید.

نتایج شبیه‌سازی برای توزیع دما در سطح محل واکنش، یکنواختی دمایی عالی را نشان داد (الزام طراحی شماره 1، همانطور که در بالا ذکر شد) تنها با انحرافات کوچک در اطراف لوله‌های بخاری. برای تایید این نتایج، این تیم به میکروسکوپ اپی فلورسانس با استفاده از مولکولی که فلورسانس آن به دما بستگی دارد، روی آوردند. این به آنها اجازه داد تا توزیع دمای واقعی را در سیال بالای مکان‌های واکنش ببینند، و پیش‌بینی مدل در مورد یک چاه حرارتی کاملاً مشخص و دمای یکنواخت در سراسر محل واکنش را تأیید کرد.

تیم فیزیک همچنین پروفیل‌های دما را در امتداد محل واکنش برای جریان‌های مختلف بررسی کردند و افزایش دما را در واحد توان تعیین کردند (الزام طراحی شماره 2). در واقع، دمای خارج از ناحیه نگهبانی سایت تنها به میزان ناچیزی تحت تأثیر اتلاف گرمای بخاری قرار می‌گیرد. این نشان می‌دهد که تداخل بین سایت‌ها ناچیز است، که توسط آزمایش‌ها نیز تأیید شد.

در نهایت، تیم فیزیک می خواستند ببینند که جریان سیال چگونه بر مکان های واکنش تأثیر می گذارد. هم نتایج شبیه‌سازی و هم آزمایش‌ها نشان می‌دهند که برای سرعت‌های مایع تا 1 میلی‌متر بر ثانیه (حداکثر سرعتی که قصد دارند برای سنتز استفاده کنند)، مشخصات چاه حرارتی تغییر نمی‌کند.