体细胞基因组编辑逐渐表现出能够治疗多种遗传疾病的能力。随着功能强大的基因组编辑工具 CRISPR-Cas9 的不断发展，人们对 DNA 合成技术的需求也越来越多。一家总部位于英国的初创公司正在开发一个平台，用于高度平行、精确以及可扩展的 DNA 合成，这将大大拓宽合成生物学的应用前景。
DNA 研究的新领域
传统的 DNA 合成技术是通过化学构建一串碱基，以形成一条单链的一个片段，然后将这些片段连接在一起，形成双链 DNA。这种方法造价昂贵且非常耗时，这就限制了合成生物学的应用前景。一个可以合成整个基因序列的 DNA 平台将会改变每个实验室中 DNA 合成的格局。现今，总部位于英国剑桥的初创公司Evonetix正在开发一种芯片系统，以实现这一目标。
Evonetix 正在开发的平台上包含有多个反应位点的硅芯片，每个反应位点都可以并行合成一条不同的 DNA 链。各个位点都有一层金，上面会发生生化反应。同时也有一些保护区域，这些保护区域将位点与之间的被动区域热隔离。
在芯片实验室里做的晶片硅上的单个反应位点。图片由 Evonetix 提供。
热控制是芯片最重要的方面之一。可以通过热控制来加速或减速芯片上各个位置的反应，就像电灯开关一样打开或关闭这些位置。热控制还可以精确且独立地控制反应位点处流体体积的温度，这种控制可以创建 “虚拟热井” ，从而消除反应位点之间的物理屏障，并允许试剂可以同时流过数千个位置。这样，当含化学试剂的液体流过这些位点时，取决于温度的反应就可以以高度并行的格式进行或者关闭。
该芯片的另一个方面是其专有的错误检测方法，这种方法可以提高良率。反应位点上生长的 DNA 序列会自动纯化以消除错误，然后再将它们组合成更长的高保真基因序列。
设计目标
为了使硅芯片可以尽可能有效地合成 DNA，Evonetix 团队想到需要优化其几何形状和材料。他们对该芯片有三个主要设计目标：
- 反应位点处温度均匀
- 反应位点上单位功率的高温升速率
- 流体流动过程中稳定的温度分布
首先，反应位点处保证其温度均匀很重要，因为温度可以精确控制反应。Evonetix 物理负责人 Andrew Ferguson 说：“化学反应是随着温度变化而开启的，我们希望可以精确地控制反应速率。” 其次，反应位点上单位功率的高温升速率可以使芯片的总功率保持在较低的水平。最后，芯片上稳定的温度分布确保了反应可以在流体流动条件下发生。
在 COMSOL Multiphysics® 中为硅 MEMS 芯片建模
Evonetix 团队使用 COMSOL Multiphysics® 软件在其硅芯片设计上模拟 DNA 合成。Evonetix的高级工程师 Vijay Narayan 说，“我很喜欢 COMSOL Multiphysics 的用户界面。它可以让我们专注于物理学，同时确保方程的数值结果能得到很好的后处理。”他们使用 COMSOL Multiphysics 中的内置材料以及来自文献的外部材料数据，建立了具有真实材料参数的模型。
首先，该团队使用 COMSOL Multiphysics 构建芯片的单个单元（包括反应部位和加热器）的几何形状，以满足上述三个设计要求。该ECAD导入模块使他们能够轻松地将他们的设计从 GDS（CAD 文件格式）导入到 COMSOL Multiphysics 软件中。Narayan说：“系统的设计，尤其是对加热器的设计，可以非常精确，并且具有非常严格的设计规则，同时 ECAD 导入模块提供了更多的灵活性。” 这一功能也使设计团队能够在原型制作阶段直接向制造商提供设计图样。
包括一个反应位点的几何模型图。图片由 Evonetix 提供。
为了分析系统的稳态和瞬态热响应，研究小组使用了传热模块。他们通过使用电磁加热接口，让电流流经加热器来评估系统的温度控制能力。为了扩展热分析，该团队通过添加层流和非等温流多物理场耦合来描述流体流动。
将模型与实验进行比较
在使用仿真构建了硅芯片的几何形状和材料后，Evonetix 准备进入原型测试阶段。他们使用原型芯片进行电子测试，将得到的结果与 COMSOL Multiphysics 仿真进行比较。
反应位点表面温度分布的模拟结果显示出极好的温度均匀性（如上所述，设计要求1），且加热器周围只有很小的温差。为了证实这些结果，研究小组使用了一种荧光（依赖于温度）分子，即荧光显微镜。这使他们能够看到反应位点上方流体中的实际温度分布，从而验证了模型结果的准确性（即在反应点上方有一个清晰定义的热井，同时反应位点处温度均匀分布）。
反应位点处的热分析（左）与荧光显微镜结果比较（右）。图片由 Evonetix 提供。
物理团队还研究了在不同电流下反应位点处的温度分布情况，以确定每单位功率的温升（设计要求2）。实际上，该位点保护区域外部的温度受加热器的散热影响很小。这表明位点之间的串扰可忽略不计，这一点也已通过实验验证。
不同电压下反应位点处的温度曲线。图片由 Evonetix 提供。
仿真和实验中温升的比较。温升斜率随功率变化的实验直方图 (右图）紧密地以 2.7 K / mW 这一模拟值为中心。图片由 Evonetix 提供。
最后，物理团队还希望了解流体流动会 如何影响反应部位。仿真结果和实验均表明，对于高达 1 mm / s（他们计划用于合成的最大速度）的液体速度，热井剖面不会改变。
当流速增加时，反应部位的温度曲线。图片由 Evonetix 提供。
Evonetix 团队使用 COMSOL Multiphysics 来帮助优化其硅芯片实验室系统的性能，然后对该系统进行了原型设计和实验验证。结果表明，实验和仿真之间的芯片性能非常匹配。仿真还帮助他们在有限制条件（包括对材料和成本的要求）的情况下进行建模。
未来的计划
Evonetix 计划在未来大幅扩展仿真范围：首先，他们建议将化学反应纳入现有模型中，以模拟 DNA 合成过程。然后进一步建模，以包括多个反应位点，流体入口/出口以及外部热源/散热器，最终，创建出一个最终产品的数字模型。结果将有助于优化单个组件，包括芯片、试剂流入和外围硬件，最终能够提供一个优化的系统。
进一步阅读
- 在 2019 年 COMSOL 剑桥会议上发表的论文中了解有关 Evonetix 的研究的更多信息：“在基于硅的MEMS“虚拟热井”阵列中实现高通量 DNA 合成”
- 在 COMSOL Blog 上了解有关将模拟用于DNA测序的另一种方法
- 通过您的基因组了解有关 CRISPR-cas9 项目的更多信息
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