發(fā)布日期：2018-06-21

　　自20世紀70年代起，研究人員就已經開始進行合成DNA的研究。合成DNA對于藥物、燃料及其他化學用品的研發(fā)具有重要意義。隨著一些從事生物醫(yī)藥、工業(yè)酶、或有用的化學物質生產的商業(yè)公司對訂制基因的需求，DNA合成這一課題變得越來越受人關注。除了商業(yè)應用，研究人員也需購買合成基因并將它們植入到動物或植物的體內，又或是用來嘗試基于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（化學字母A、G、C、T）逐一添加，形成一個被稱為寡核苷酸的鏈。但這一方法被局限于只能直接產生長約200個堿基的寡核苷酸，因為隨著長度的增加，合成過程中會出現(xiàn)不可避免的錯誤，導致正確序列的產量很低；同時，這一過程成本高昂且非常緩慢，還會用到一系列有毒的有機試劑。如過科學家想要用這種方法合成一個小基因（通常由數(shù)千個核苷酸構成），那么必須對它們進行逐段合成，每段長度約為200個堿基，然后再將它們縫合在一起。這非常耗時，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家實驗室的科學家發(fā)明了一種合成DNA的新方法，它可以更簡單、更快速、并有潛力更精確的進行DNA合成，而且無需使用有毒的化學物質。這一技術的高準確性，讓它可以產生10倍長于現(xiàn)有方法產生的DNA鏈。這次對DNA合成問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》雜志上，他們詳細介紹了這一新技術的相關細節(jié)。

　　新的技術依賴于在免疫系統(tǒng)的細胞中發(fā)現(xiàn)的一種DNA合成酶，這種酶在水中自然地擁有將核苷酸添加到DNA分子上的能力（DNA在水中最穩(wěn)定）。該技術有望提高精確度，從而讓合成的DNA鏈含有數(shù)千個堿基，長度增加到過去的10倍，成為中等尺寸基因的大小。

　　細胞合成DNA的方式與現(xiàn)有技術是完全不同的。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合的互補鏈。這一特征讓許多科學家一直夢想能通過重新設計聚合酶來編寫新的DNA。在20世紀60年代，科學家發(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TdT（末端脫氧核苷酰轉移酶）。

　　天然的TdT這樣做是為了編寫數(shù)百萬個抗體基因的新變種，免疫系統(tǒng)可以選擇這些變種來攻擊入侵者。它具有非常高的合成速度，在自然狀況下，它能每分鐘將DNA擴展約200個堿基。但天然的酶添加新堿基的過程是隨機的，而不是研究人員想要的能精準控制的堿基順序。

　　多年來，許多實驗室都試圖利用這種酶來合成所需的DNA序列，但這種酶很難控制。關鍵的問題在于如何讓酶在添加一個核苷酸后停止，然后再用不同的核苷酸來重復這個過程。在以前的所有提議中，科學家都試圖在DNA的四個堿基中添加化學基團來作為“終止”信號。因此，當TdT向任何長度的寡核苷酸添加修飾過的某一種堿基時，就能阻礙另一種堿基的添加。然后，他們再對此時的寡核苷酸進行清洗，接著用另一種化合物進行處理，以備下一次延伸。

　　但是，TdT與這些被修飾過的核苷酸并不能很好地配合。它非常“挑剔”，例如在這樣一個這系統(tǒng)中，每添加一個修改過的堿基需要大約一個小時，這非常耗時，很難被大規(guī)模的運用。

　　在新的方法中，兩個年輕的學生用一種新穎的方式將問題解決了。他們從4個分開的堿基池開始，每一個里面都有被“栓”到或A、或G、或C、或T上的TdT。為了讓寡核苷酸增長，他們向其中一個池中添加一種堿基。當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制物與寡核苷酸反應、以及導致進一步的延伸。這時再將寡核苷酸撈出，剪斷栓系，游離的TdT會被清洗掉，而寡核甘酸也做好了添加下一個堿基的準備。

　　這種方法成本并不高，因為TdT很容易在細菌和酵母中生產。同時，它也非常快。據(jù)此次研究稱，大多數(shù)新的核苷酸會在10到20秒之內附著于生長中的寡核苷酸。但是，剪斷栓系的步驟仍需要一分鐘左右。因此合成一個完整的基因仍可能需要耗費大半天的時間。

　　在首次嘗試中，他們在10個循環(huán)中使用工程化的TdT酶產生了10個堿基的寡核苷酸。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“產品”進行分析時，發(fā)現(xiàn)大約80％的DNA分子具有了預期的10個堿基序列。這意味著，每個步驟的平均精確度為98％，低于傳統(tǒng)方法的99％。但這對于一個已經持續(xù)50多年的難題來說已經是非常好的結果了。

　　若要用這一方法編寫長達1000個堿基的寡核苷酸，則需要99.9％的單個準確度。而這也正是研究人員的目標。如果真的達到這樣的準確度，那么它將不僅能徹底改變合成生物學中對新基因的編寫和測試，而且還能在DNA中編寫大量的數(shù)據(jù)庫。

　　通過直接合成長鏈的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生的繁瑣過程。這樣的話，在幾天之內直接合成出研究人員需要的基因長度的序列，將不再是遙不可及的事。

　　參考來源：

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

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