Harvards DNA-Chip: 64 Sequenzen ohne Giftstoffe synthetisieren

Gentherapien können Krebs, Erbkrankheiten und resistente Infektionskrankheiten behandeln, scheitern aber oft an einem schlichten Problem: Der synthetischen DNA, mit der sie arbeiten, liegt eine aufwendige und giftige Chemie zugrunde. Forscher der Harvard School of Engineering and Applied Sciences um Professor Donhee Ham haben im Juni 2026 in Nature Electronics einen Chip veröffentlicht, der diesen Engpass aufbrechen könnte. Das Halbleitersystem synthetisiert 64 verschiedene DNA-Sequenzen gleichzeitig und verwendet dabei Enzyme und Wasser statt organischer Lösungsmittel.

Was enzymatische DNA-Synthese bedeutet

Hinter jedem DNA-Strang, der heute für ein Medikament oder eine Forschungsanwendung hergestellt wird, steckt die Phosphoramidit-Chemie aus den 1980er Jahren. Sie funktioniert, hat aber erhebliche Nachteile: Die Reaktionen erfordern wasserfreie Bedingungen und Lösungsmittel wie Acetonitril, Trichloressigsäure und Pyridin. Die Oligonukleotid-Industrie produziert damit einer in Nature Methods mehrfach zitierten Schätzung zufolge mehr als 1,1 Millionen Liter gefährlichen Chemikalienabfall pro Jahr.

Der Harvard-Chip arbeitet anders. Er nutzt das Enzym TdT (terminale Desoxynukleotidyl-Transferase), das DNA-Stränge ohne eine Vorlage verlängern kann. Auf dem Chip sitzen 64 Synthesestellen, jede mit zwei konzentrischen Ringelektroden. Die innere Elektrode elektrolysiert Wasser und setzt lokal Protonen frei, die den pH-Wert senken. Das aktiviert präzise an dieser Stelle die Enzymreaktion. Die äußere Elektrode zieht gleichzeitig Protonen ab, damit die Reaktion nicht auf Nachbarstellen übergreift. Das Ergebnis: 64 verschiedene Sequenzen wachsen parallel, ohne gegenseitige Verunreinigung.

Das Team arbeitete mit dem Broad Institute, der südkoreanischen Universität POSTECH und dem französischen Biotechunternehmen DNA Script zusammen. DNA Script vertreibt bereits einen kommerziellen enzymatischen Synthesizer und ist seit 2020 über ein von der US-Geheimdienstbehörde IARPA finanziertes Programm zur DNA-Datenspeicherung mit Harvard und Broad verbunden.

Warum Enzyme besser sind als Chemikalien

Die Phosphoramidit-Chemie hat eine praktische Längengrenze von etwa 200 Nukleotiden, bevor Fehlerrate und Ausbeute zu schlecht werden. Enzymatische Synthese verspricht theoretisch längere Stränge bei geringeren Fehlerraten, hat diese Grenze kommerziell aber noch nicht erreicht. Hinzu kommt: Die Reaktionen können ohne anhydre Umgebung laufen. Die Phosphoramidit-Chemie erforderte bislang genau diese wasserfreien Bedingungen und damit spezialisierte, teure Laborausrüstung.

DNA Scripts kommerzieller Syntax-Synthesizer produziert bereits heute enzymatisch bis zu 120 Nukleotide je Strang. Die Neuerung des Harvard-Chips liegt in der elektrischen Steuerung: Statt physischer Flüssigkeitssysteme, die einzelne Nukleotide zu den Synthesestellen leiten, übernimmt das die Elektrizität. Das macht die Technologie miniaturisierbar und skalierbar auf einem Halbleiterchip.

Im Vergleich: Vom Ein-Strang-Gerät zum 64-fachen Parallelchip

Enzymatische Synthese ist nicht neu. Das Prinzip mit TdT-Enzymen ist seit den 1990er Jahren bekannt. Der Schritt zur kontrollierten Parallelsynthese auf einem Chip ist der kritische Fortschritt. Ein Team von DNA Script demonstrierte 2023 in Science Advances, wie man enzymatisch 12 verschiedene Sequenzen gleichzeitig auf einem Chip kontrollieren kann. Der Harvard-Chip springt in einem Schritt auf 64 Stellen.

Zum Kostenvergleich: Der globale Markt für DNA-Synthese hatte 2025 ein Volumen von rund 5,2 Milliarden Dollar, bei einem Preis von rund sieben Cent pro Basenpaar für Standard-Oligonukleotide. Eine 2021 vom MIT veröffentlichte Schätzung bezifferte die Kosten für die Speicherung eines Petabyte Daten in DNA auf rund eine Billion Dollar, was erklärt, warum Kostensenkungen in diesem Bereich erhebliche Konsequenzen hätten. Der Branchenindex synthesis.cc dokumentiert: Der Preis pro Basenpaar sank von rund 30 Dollar im Jahr 1990 auf heute sieben Cent, ein Rückgang von über 99 Prozent in 35 Jahren.

Drei Hürden bis zur Gentherapie-Spritze für alle

Der Chip produziert im Labornachweis Sequenzen von bis zu 39 Nukleotiden. Gentherapeutische Anwendungen erfordern typischerweise Sequenzen von Hunderten bis Tausenden von Nukleotiden. Drei Entwicklungsschritte trennen die aktuelle Demonstration von der klinischen Anwendung.

Erstens muss die Sequenzlänge steigen. TdT kann theoretisch längere Stränge produzieren; ob die elektrische pH-Kontrolle des Harvard-Chips bei langen Strängen ausreichend präzise bleibt, muss gezeigt werden. Zweitens braucht es Skalierung: 64 Synthesestellen sind ein Labornachweis, für Produktionsmengen in der Therapieentwicklung wären Tausende parallele Stellen nötig. Drittens steht die Fehlerrate im Fokus: Enzymatische Methoden versprechen bessere Genauigkeit als chemische, das muss bei längeren Strängen in dieser Chip-Architektur noch demonstriert werden.

Harvard hat über sein Office of Technology Development Patente angemeldet. DNA Script als kommerzieller Partner ist in einer guten Position, die Chip-Technologie in zukünftige Geräte zu integrieren. Eine konkrete Timeline nennt das Team nicht. Ob der Chip den Preisverfall bei DNA-Synthese beschleunigt, wie Solarzellen ihn bei erneuerbarer Energie durchlaufen haben, ist die eigentlich entscheidende Frage für die Zugänglichkeit von Gentherapien.