DNA新“寫法”提振合成生物學

原標題:DNA新“寫法”提振合成生物學

一個分子結構展示了構建DNA鏈的聚合酶。圖片來源：DNA Script

雖然科學家能以更快的速度閱讀DNA序列，但其編寫DNA的能力並未跟上。那些想要的用於諸如合成生物學等領域的“定製”DNA，只能勉強對付在緩慢且昂貴的化學過程中被合成的短鏈。

這種情況似乎即將改變。近日，來自法國一家生物技術初創公司的研究人員在於美國舊金山舉行的合成生物學會議上宣佈，利用生物體內編寫DNA的酶的近親，他們能創建長達150個核苷酸鹼基的DNA鏈。僅在幾個月前，這一紀錄還是50個核苷酸鹼基。同時，最新技術與標準的化學方法幾乎勢均力敵。

“這是一個重要的里程碑。”未參與該工作但正致力於開發類似技術的哈佛醫學院遺傳學家George Church表示，最新成果將酶催化DNA合成“置於看起來呈指數增長的曲線上”。

Church和其他人認爲，如果確實如此，想創建新基因組或者利用DNA存檔大量信息的研究人員很快將擁有更長的DNA片段。同時，它們將以更快的速度和更低廉的成本被製造出來。

儘管傳統的化學DNA合成一直是小型化和自動化的，但背後被稱爲酰胺三酯合成法的技術自上世紀80年代被開發出來後幾乎未變。它涉及每次添加一個核苷酸鹼基，而每個鹼基的頂端裝有保護基以阻止其發生反應，直至科學家將頂端保護基移除並添加下一個鹼基。

這種方法並不完美。每添加一個鹼基，會有0.5%的出錯幾率。DNA鏈越長，含有錯誤的幾率越大。這將DNA鏈的長度限制在約300個鹼基以內。如果研究人員希望編寫含有上千個鹼基的基因，就必須不辭辛勞地將片段“縫合”在一起。酶催化合成有望通過選擇聚合酶而做得更好。聚合酶是一種被生物用於將核苷酸“系”在一起形成基本不會出現錯誤的長序列的酶。

Church介紹說，儘管酶催化DNA合成努力從這10年纔剛剛開始，但約有6家公司正致力於研究該方法。其他公司則正在推動數據存儲和生物醫學應用的發展，以隨時應對DNA圖譜率提升這一天的到來。位於加州聖地亞哥的酶催化DNA合成公司——“分子組裝體”首席執行官Michael Kamdar表示，傳統化學DNA合成的年度市場規模約爲10億美元，而數據存儲市場超過140億美元，儘管DNA可能只佔了一小部分。“在接下來的兩三年內，你將在市場上看到酶催化DNA合成的各種應用。如果不是我們做出的，那麼肯定也會有其他人。”位於法國巴黎的“DNA腳本”公司聯合創始人、首席運營官Sylvain Gariel表示。

從化學合成向聚合酶轉變帶來了很多挑戰。在活體細胞內，大多數聚合酶從模板鏈開始，然後創建將A鹼基和T鹼基配對、G鹼基和C鹼基配對的互補鏈。免疫細胞中針對A鹼基的聚合酶被稱爲末端脫氧核苷酰轉移酶（TdT）。它在沒有模板的情況下運行，從而使其成爲科學家針對酶催化合成的最常見選擇。然而，由於TdT隨機添加新的DNA序列，因此研究人員不得不想辦法迫使其每次僅添加一個想要的序列。

Gariel帶領的團隊通過爲每個DNA鹼基裝上專屬保護基做到了這一點。和在化學合成過程中一樣，這種保護基可阻止TdT向不斷生長的DNA鏈中每次添加多個序列。在正確的序列被添加並且其保護基被移除後，這一循環不斷重複。根據Gariel的說法，添加一個序列僅需要5分鐘，並且準確度達到99.5%。

“這太棒了。”“分子組裝體”聯合創始人、首席科學官William Efcavitch表示，這種速度和準確度再加上150個核甘酸長度的DNA鏈，使酶催化合成和以5~10分鐘爲一個週期的傳統亞磷酰胺DNA合成幾乎不相上下。

大多數專家認爲，酶催化方法擁有很大的改善空間。“酶催化合成的潛力遠遠超過化學合成。”Kamdar表示。最終，“DNA腳本”首席執行官Thomas Ybert說，他希望自己的公司每天能編寫1000個鹼基長度的DNA鏈。該公司還希望在2020年初開始出售自動化的酶催化DNA合成器。（宗華）

《中國科學報》 (2018-10-17 第3版國際)