开发用于按需DNA合成的硅MEMS芯片

在体细胞中的基因组编辑显示出治疗各种遗传疾病的可能性。由于CRISPR-CAS9的发展，一种强大的基因组编辑工具，对DNA合成技术的需求一直在增加。基于U.K的启动公司正在开发桌面平台，用于高度平行，准确和可扩展的DNA合成，将扩大合成生物学的视野。

DNA研究的新领域

传统上通过首先通过第一化学构建一系列碱来产生用于产生单独链的区段，然后将链段彼此连接以形成双链DNA。这可能是昂贵的，非常耗时，限制了关键合成生物学应用的进展。可以合成全基因序列的桌面DNA平台将改变每个实验室中DNA合成的景观。evonetix.是一个基于剑桥的启动，在剑桥，是开发硅实验室的系统，以使这一目标成为现实。

evonetix正在开发的平台包括一个包含多个反应位点的硅芯片，每个反应位点可以并联合成一个独特的DNA链。各个地点有一层黄金，会发生生化反应。也有一些后卫区域将部位与两者之间的被动区域进行热分离。

硅实验室芯片上的个体反应部位。图像提供的Evonetix。

热控制是芯片最重要的方面之一。它用于加速和减速芯片上各个位点上的反应，从而有效地打开和关闭这些反应，就像灯开关一样。热控制还可以使反应位点流体体积的温度得到精确和彼此独立的控制 - 此控制会产生“虚拟热井”，从而消除了反应位点之间的物理屏障的需求，并允许试剂流过以超过试剂的流动。同时数千个站点。这样，当含有化学试剂的液体在位点流动时，反应（或不）取决于温度高度平行的格式。

芯片的另一个方面是其专有误差检测方法，可提高产量。在反应位点生长的DNA序列会自动纯化以去除误差，然后再将其组合为更长的高效率基因序列。

设计目标

为了使硅芯片尽可能有效地合成DNA，Evonetix团队必须优化其几何形状和材料。他们有三个主要的设计目标：

1. 反应部位的均匀温度
2. 在反应部位每单位功率高温上升
3. 流体流动期间的鲁棒温度曲线

均匀的温度很重要，因为它能够精确控制反应。“化学反应随着温度打开，我们希望准确控制反应速度，”雷诺特克斯的物理头部和德鲁弗森说。每个单位功率的高温升高保持芯片的低总电源要求。最后，芯片上的鲁棒温度曲线确保了反应可以在流体流动条件下进行。

在COMSOLMULTIPHYSICS®中建模硅MEMS芯片188金宝搏优惠

evonetix团队使用COMSOLMultiPhyS188金宝搏优惠ics®软件在其硅芯片设计上模拟DNA合成。“我喜欢Comsol Multiphysics的用户界面;188金宝搏优惠我们可以专注于物理学，同时确保等式的数值实施得到很好的照顾，“雷戈汀的高级工程师Vijay Narayan说。他们使用COMSOL Multiphysics中的内置材料和文献的外部材料数据设置了具有现实材料参数的模型。188金宝搏优惠

该团队使用COMSOL Mu188金宝搏优惠ltiphysics首先找到一个单位的芯片单元的最佳几何形状，包括反应场所和加热器，符合上面列出的三个设计要求。这ECAD导入模块使他们能够轻松地将其设计从GDS，CAD文件格式进入COMSOL Multiphysics。188金宝搏优惠“系统的设计，尤其是加热器，可以非常精确，并且具有非常严格的设计规则，”Narayan说。“ECAD进口模块提供了额外的灵活性。”此功能还使该组能够在到达原型阶段时直接将设计直接带到制造商。

仿真模型包括一个反应部位。图像提供的Evonetix。

为了分析系统的稳态和瞬态热响应，团队使用了传热模块。他们通过使用加热器将电流通过加热器评估了系统的温度控制功能电磁加热界面。为了扩展热分析，团队通过添加流体流量包括层流接口和非等温流量多物理耦合。

将模型与实验进行比较

在使用模拟预测硅芯片的最佳几何形状和材料之后，Evonetix准备进入原型阶段。他们使用原型芯片运行电子测试，然后将结果与Comsol多物理模拟进行了比较。188金宝搏优惠

反应位点表面的温度分布的仿真结果显示出优异的温度均匀性（上面列出的设计要求＃1），仅加热器引线周围的偏差很小。为了确认这些结果，该团队转向外荧光显微镜，使用荧光取决于温度的分子。这允许它们在反应位点上方的流体中看到实际温度分布，确认模型对反应部位的均匀温度的预测和均匀的温度。

与落荧光显微镜结果（右）相比，反应位点的热分析（左）。图像由Evonetix提供。

物理团队还研究了沿着反应部位的温度曲线进行不同电流，确定每单位电源的温度升高（设计要求＃2）。事实上，在场地的警卫区域之外的温度仅受加热器的散热来忽视的影响。这表明位点之间的串扰可以忽略不计，这也通过实验验证。

反应位点的温度曲线在不同电压下。图像提供的Evonetix。

模拟和实验中温度升高的比较。温度上升与功率（右插图）的实验直方图紧密地集中在模拟值2.7 k/mw上。图像提供的Evonetix。

最后，物理团队希望了解流体流动如何影响反应位点。仿真结果和实验均表明，对于高达1mm / s的液体速度（它们计划用于合成的最大速度），热井型材不变。

当受到流速增加时，反应位点的温度曲线。图像提供的Evonetix。

evonetix团队使用COMSOL Mult188金宝搏优惠iphysics来帮助优化Si实验室系统的属性，然后将其原型典型和实验验证。总的来说，芯片性能与实验和仿真之间非常好。仿真还帮助他们在制造限制内工作，包括材料和成本的要求。

未来的计划

evonetix计划大大扩大模拟范围：首先提出将化学反应纳入现有模型以模拟DNA合成过程。然后将进一步进展以包括多个反应位点，流体入口/插座和外部热源/下沉，最终产生最终产品的数字模型。结果将有助于优化各个组件，包括芯片，试剂涌入和外围硬件;最终旨在提供优化的系统。

进一步阅读

• 在2019年Comsol会议上发表的论文中，了解有关Evonetix的研究的更多信息：“”188金宝搏优惠在基于硅的MEMS'虚拟热井阵列中的高通量DNA合成“
• 阅读另一种方式模拟用于DNA测序在comsol188金宝搏优惠博客上
• 通过通过CRISPR-CAS9项目了解更多信息你的基因组