發(fā)布日期：2018-06-21
自20世紀(jì)70年代起，研究人員就已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行合成DNA的研究。合成DNA對(duì)于藥物、燃料及其他化學(xué)用品的研發(fā)具有重要意義。隨著一些從事生物醫(yī)藥、工業(yè)酶、或有用的化學(xué)物質(zhì)生產(chǎn)的商業(yè)公司對(duì)訂制基因的需求，DNA合成這一課題變得越來(lái)越受人關(guān)注。除了商業(yè)應(yīng)用，研究人員也需購(gòu)買合成基因并將它們植入到動(dòng)物或植物的體內(nèi)，又或是用來(lái)嘗試基于CRISPR的新的疾病治療方式。
傳統(tǒng)的DNA合成方法是將DNA的核苷酸（化學(xué)字母A、G、C、T）逐一添加，形成一個(gè)被稱為寡核苷酸的鏈。但這一方法被局限于只能直接產(chǎn)生長(zhǎng)約200個(gè)堿基的寡核苷酸，因?yàn)殡S著長(zhǎng)度的增加，合成過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不可避免的錯(cuò)誤，導(dǎo)致正確序列的產(chǎn)量很低；同時(shí)，這一過(guò)程成本高昂且非常緩慢，還會(huì)用到一系列有毒的有機(jī)試劑。如過(guò)科學(xué)家想要用這種方法合成一個(gè)小基因（通常由數(shù)千個(gè)核苷酸構(gòu)成），那么必須對(duì)它們進(jìn)行逐段合成，每段長(zhǎng)度約為200個(gè)堿基，然后再將它們縫合在一起。這非常耗時(shí)，而且具有較高的失敗率。
最近，加州伯克利分校和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家發(fā)明了一種合成DNA的新方法，它可以更簡(jiǎn)單、更快速、并有潛力更精確的進(jìn)行DNA合成，而且無(wú)需使用有毒的化學(xué)物質(zhì)。這一技術(shù)的高準(zhǔn)確性，讓它可以產(chǎn)生10倍長(zhǎng)于現(xiàn)有方法產(chǎn)生的DNA鏈。這次對(duì)DNA合成問(wèn)題的研究就是由博士生Sebastian Palluk與研究生Daniel Arlow一同完成的。在6月18日的《自然-生物技術(shù)》雜志上，他們?cè)敿?xì)介紹了這一新技術(shù)的相關(guān)細(xì)節(jié)。
新的技術(shù)依賴于在免疫系統(tǒng)的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的一種DNA合成酶，這種酶在水中自然地?fù)碛袑⒑塑账崽砑拥紻NA分子上的能力（DNA在水中最穩(wěn)定）。該技術(shù)有望提高精確度，從而讓合成的DNA鏈含有數(shù)千個(gè)堿基，長(zhǎng)度增加到過(guò)去的10倍，成為中等尺寸基因的大小。
細(xì)胞合成DNA的方式與現(xiàn)有技術(shù)是完全不同的。它們擁有一類被稱為聚合酶的酶，可以讀取單鏈DNA，然后合成一條能與其結(jié)合的互補(bǔ)鏈。這一特征讓許多科學(xué)家一直夢(mèng)想能通過(guò)重新設(shè)計(jì)聚合酶來(lái)編寫(xiě)新的DNA。在20世紀(jì)60年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種不尋常的聚合酶，它可以在不遵循已有的DNA模板鏈的情況下，將新的核苷酸附加到寡核苷酸鏈上，這種酶被稱為T(mén)dT（末端脫氧核苷酰轉(zhuǎn)移酶）。
天然的TdT這樣做是為了編寫(xiě)數(shù)百萬(wàn)個(gè)抗體基因的新變種，免疫系統(tǒng)可以選擇這些變種來(lái)攻擊入侵者。它具有非常高的合成速度，在自然狀況下，它能每分鐘將DNA擴(kuò)展約200個(gè)堿基。但天然的酶添加新堿基的過(guò)程是隨機(jī)的，而不是研究人員想要的能精準(zhǔn)控制的堿基順序。
多年來(lái)，許多實(shí)驗(yàn)室都試圖利用這種酶來(lái)合成所需的DNA序列，但這種酶很難控制。關(guān)鍵的問(wèn)題在于如何讓酶在添加一個(gè)核苷酸后停止，然后再用不同的核苷酸來(lái)重復(fù)這個(gè)過(guò)程。在以前的所有提議中，科學(xué)家都試圖在DNA的四個(gè)堿基中添加化學(xué)基團(tuán)來(lái)作為“終止”信號(hào)。因此，當(dāng)TdT向任何長(zhǎng)度的寡核苷酸添加修飾過(guò)的某一種堿基時(shí)，就能阻礙另一種堿基的添加。然后，他們?cè)賹?duì)此時(shí)的寡核苷酸進(jìn)行清洗，接著用另一種化合物進(jìn)行處理，以備下一次延伸。
但是，TdT與這些被修飾過(guò)的核苷酸并不能很好地配合。它非常“挑剔”，例如在這樣一個(gè)這系統(tǒng)中，每添加一個(gè)修改過(guò)的堿基需要大約一個(gè)小時(shí)，這非常耗時(shí)，很難被大規(guī)模的運(yùn)用。
在新的方法中，兩個(gè)年輕的學(xué)生用一種新穎的方式將問(wèn)題解決了。他們從4個(gè)分開(kāi)的堿基池開(kāi)始，每一個(gè)里面都有被“栓”到或A、或G、或C、或T上的TdT。為了讓寡核苷酸增長(zhǎng)，他們向其中一個(gè)池中添加一種堿基。當(dāng)TdT將堿基添加到寡核苷酸的末端之后，它仍維持栓系狀態(tài)，這就有效地阻止了任何額外的酶復(fù)制物與寡核苷酸反應(yīng)、以及導(dǎo)致進(jìn)一步的延伸。這時(shí)再將寡核苷酸撈出，剪斷栓系，游離的TdT會(huì)被清洗掉，而寡核甘酸也做好了添加下一個(gè)堿基的準(zhǔn)備。
這種方法成本并不高，因?yàn)門(mén)dT很容易在細(xì)菌和酵母中生產(chǎn)。同時(shí)，它也非?？臁?jù)此次研究稱，大多數(shù)新的核苷酸會(huì)在10到20秒之內(nèi)附著于生長(zhǎng)中的寡核苷酸。但是，剪斷栓系的步驟仍需要一分鐘左右。因此合成一個(gè)完整的基因仍可能需要耗費(fèi)大半天的時(shí)間。
在首次嘗試中，他們?cè)?0個(gè)循環(huán)中使用工程化的TdT酶產(chǎn)生了10個(gè)堿基的寡核苷酸。新方法的出現(xiàn)并不代表將完全廢除傳統(tǒng)的DNA合成方式。在他們對(duì)“產(chǎn)品”進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)大約80％的DNA分子具有了預(yù)期的10個(gè)堿基序列。這意味著，每個(gè)步驟的平均精確度為98％，低于傳統(tǒng)方法的99％。但這對(duì)于一個(gè)已經(jīng)持續(xù)50多年的難題來(lái)說(shuō)已經(jīng)是非常好的結(jié)果了。
若要用這一方法編寫(xiě)長(zhǎng)達(dá)1000個(gè)堿基的寡核苷酸，則需要99.9％的單個(gè)準(zhǔn)確度。而這也正是研究人員的目標(biāo)。如果真的達(dá)到這樣的準(zhǔn)確度，那么它將不僅能徹底改變合成生物學(xué)中對(duì)新基因的編寫(xiě)和測(cè)試，而且還能在DNA中編寫(xiě)大量的數(shù)據(jù)庫(kù)。
通過(guò)直接合成長(zhǎng)鏈的DNA分子，能大大減少將寡核苷酸拼接在一起的必要性以及由此產(chǎn)生的繁瑣過(guò)程。這樣的話，在幾天之內(nèi)直接合成出研究人員需要的基因長(zhǎng)度的序列，將不再是遙不可及的事。
參考來(lái)源：
http://news.berkeley.edu/2018/06/18/new-dna-synthesis-technique-promises-rapid-high-fidelity-dna-printing/
http://www.sciencemag.org/news/2018/06/new-technique-could-help-scientists-create-gene-just-1-day
https://www.nature.com/articles/nbt.4173
來(lái)源：原理
