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基因合成是當(dāng)前合成生物學(xué)的主要內(nèi)容，通過(guò)基因合成，可以獲得自然界中不存在的基因，為人類改造生物開(kāi)辟了一個(gè)全新的方向，在可預(yù)計(jì)的將來(lái)，基因合成將在生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。但是，目前基因合成速度仍無(wú)法*迎合生物學(xué)發(fā)展的需求。日前，《Nature Biotechnology》發(fā)表的一篇新文獻(xiàn)指出，一項(xiàng)新的基因合成技術(shù)竟然將新基因合成時(shí)間縮短至一天！這無(wú)疑解決了科學(xué)家們的燃眉之急！
基因合成的大難題—快速控制聚合酶
完整的生物細(xì)胞可提供基因合成所需的環(huán)境、底物、酶等條件，而體外基因合成的條件就必須人工創(chuàng)造，其中大的難點(diǎn)是找尋合適的DNA聚合酶。傳統(tǒng)的基因合成多用于抗體基因的創(chuàng)造，多使用末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶（TdT），它可在不遵循DNA模板鏈的狀態(tài)下將新核苷酸添加到寡核苷酸鏈上，從而編寫(xiě)了數(shù)百萬(wàn)個(gè)抗體基因的新變種，而免疫系統(tǒng)就可以通過(guò)這些變種來(lái)靶向入侵者。但天然的TdT只能隨機(jī)添加新脫氧核苷酸，研究人員無(wú)法地控制合成過(guò)程。
TdT作用下的DNA序列合成過(guò)程
隨后，有科學(xué)家在DNA的四個(gè)堿基中添加化學(xué)基團(tuán)，生成“終止片段”，能順利阻止TdT的進(jìn)一步作用，隨后洗凈后并切斷封閉組，再進(jìn)行下一次延伸。但是，TdT與“終止片段”的作用往往無(wú)法一蹴而就，每個(gè)基因合成系統(tǒng)的一個(gè)停止-重啟過(guò)程需要一個(gè)小時(shí)左右，大大影響了基因合成效率，而且降低了實(shí)用性。因此，如何快速地控制TdT的作用成為大難題。
新技術(shù)另辟蹊徑—讓“終止”變得可逆
我們知道，DNA聚合酶將個(gè)脫氧核苷酸加到引物RNA的3'-OH末端復(fù)制是前導(dǎo)鏈DNA合成的關(guān)鍵步驟，既然在基因合成過(guò)程中TdT與DNA源性的“終止片段”作用效果不甚理想，那么TdT與RNA源性的引物可否產(chǎn)生聚合DNA外的效應(yīng)呢？該文章的研究人員們?cè)O(shè)計(jì)出了TdT-dNTP綴合物，其摻入到引物時(shí)可主動(dòng)與3'末端共價(jià)連接，這就阻止了其他TdT-dNTP綴合物與引物的結(jié)合，當(dāng)需要進(jìn)一步延伸時(shí)可切割接頭，將引物的3'末端去保護(hù)，由單一核苷酸加入延伸，這就使“終止”的過(guò)程從此變得可逆，研究人員可根據(jù)需求開(kāi)啟或結(jié)束TdT的作用。
TdT-dNTP綴合物終止基因延伸
TdT-dNTP在10-20s內(nèi)實(shí)現(xiàn)DNA分子單一核苷酸延伸
研究人員已經(jīng)證明活性TdT-dNTP綴合物可通過(guò)兩種不同的連接子將核苷三磷酸連接到聚合酶表面上的各個(gè)點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)TdT-dNTP綴合物可在10-20s內(nèi)實(shí)現(xiàn)DNA分子的單一核苷酸延伸，因此這種延伸和去保護(hù)反應(yīng)的循環(huán)可以快速準(zhǔn)確得迭代寫(xiě)出一個(gè)定義序列，合成一個(gè)完整的基因快只需要一天！這就解決了基因合成的燃眉之急。
但是，該技術(shù)并非無(wú)缺，其準(zhǔn)確率為98%，雖然也*，但仍低于傳統(tǒng)靠“終止片段”控制TdT作用的合成方法—其為99%，而且當(dāng)編輯大型基因數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，其準(zhǔn)確率需要提高至99.9%，因此，該技術(shù)仍需進(jìn)一步的研究和提高。
參考文獻(xiàn)：
1.De novo DNA synthesis using polymerase- nucleotide conjugates
2.New technique could help scientists create a gene in just 1 day
13916499749
