更快速、更准确、长度更长且无毒的DNA将被合成!这要如何做到

▲研究人员改造了一种人体中天然存在的酶,用于反复延长寡核苷酸链。来源:Marilyn Chung,伯克利实验室。

6月18日,美国加州大学伯克利分校的Jay D Keasling教授、德国达姆施塔特技术大学的博士生Daniel H Arlow和伯克利实验室的访问学生Sebastian Palluk等在Nature Biotechnology杂志在线发表了一篇论文。文中通过改造自然界的酶,发明了新的DNA合成技术。这项技术有望实现更快速、更准确、长度更长且无毒的DNA合成过程。

DNA合成技术具有广泛的应用,包括生产生物药物和酶、插入到生物体内进行基因功能研究或疾病的基因治疗。一些科学家甚至提出将信息存储在DNA中,1克的DNA存储容量相当于5000万张DVD,并且可以稳定储存数百年。

目前通用的DNA合成技术起源于1981年,属于化学合成,可以生产约不超过200个碱基的DNA序列。之所以在长度方面存在限制是因为随着长度的增加,不可避免的错误会导致正确序列的产量下降。要合成一段基因,必须逐段合成后拼接。这导致了DNA合成需要较高的时间和金钱成本。此外,合成还需要使用有毒物质,而对有毒物质的后期处理非常繁琐。

科学家们一直致力于发明准确、快速、低成本且低毒的DNA合成技术。生物体内的生物化学反应依靠各类酶,这些酶进化了数百万年,能够精确地催化反应。细胞通常不会从头开始合成DNA,大部分是在已有的DNA模板的基础上,利用大量不同的DNA聚合酶进行DNA复制。科学家曾经在免疫系统中发现了一种不依赖于已有DNA模板的聚合酶——末端脱氧核苷酸转移酶(TdT),它可以随机添加核苷酸到编码的抗体的基因上。TdT同样适用于添加四种DNA核苷酸种类的DNA合成反应,不仅没有副作用而且在理想条件下速度非常快——每分钟延伸约200个碱基。但TdT很难控制,关键是如何让它在添加一个核苷酸后停止,以便一次合成一个碱基。过去所有的控制都是使用携带防多次添加的阻断基团的核苷酸。在携带阻断基团的核苷酸加入到DNA分子中后,去掉封闭基团,然后进行下一个核苷酸的加入。然而在DNA合成过程中,当核苷酸正确定位时,TdT反应位点太紧密,无法像其他聚合酶一样容纳阻断基团。

在这项研究中,研究者将不携带阻断基团的核苷酸连接到TdT上,以便在将核苷酸添加到延伸中的DNA分子后,酶依旧保持连接并且阻止DNA链末端继续添加核苷酸。DNA分子延伸后,切断连接链以释放酶并重新暴露到DNA链末端进行下一个核苷酸的加入。

在第一次试验中他们创建了针对一个长10个碱基的寡核苷酸的10个循环合成反应,结果表明每一步合成过程的产物几乎都是准确的。大约80%的分子是准确的序列,平均每个步骤的产量约为98%。而一旦未来达到99.9%的保真度,就可以一次性合成1000个碱基长度的DNA分子,且产率超过35%。

Arlow希望这项技术促进人类更加可持续地生产服装、燃料和食品等,并帮助我们节约石油资源。

编译:花花 审稿:alone

责编:南熙