首度可在細胞外複製 DNA 基因組,人工合成細胞成真不遠了!

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細胞是生物體運作的最基本單元,細胞內的遺傳物質 DNA 轉錄為 RNA,RNA 再轉譯成蛋白質是許多生理功能的基礎。不過現有科學技術只有辦法在「細胞」環境下執行遺傳物質的轉錄、轉譯,一旦脫離細胞,這項功能便無法運作。

日本東京大學(University of Tokyo)近期發佈《ACS Synthetic Biology》最新研究,提出一項合成 DNA 新技術。Norikazu Ichihashi 教授研究團隊研發出可在非細胞條件下,只需給與合成所需的核酸或蛋白質,即能使 DNA 基因組自行增生複製,60 天內產量高達 10 倍。

合成 DNA 技術,藍海市場待開發!(基因線上國際版)

可在細胞外複製 10 倍環狀 DNA 技術

該研究團隊利用在水中形成油滴,以作為細胞外人工合成環狀 DNA 合成的環境。環狀 DNA 為閉鎖構造的 DNA,這種形式 DNA 在細菌中廣泛出現,其中最具代表性的是質體(plasmid),其基因數量少多在 100 個以內,便利操作的特性使其大量被應用於生物技術上。

此項人工合成技術所運用的原始環狀 DNA,帶有 DNA 聚合酶 phi29、以及 Cre 重組酵素(recombinase)片段,油滴作用環境中上述兩種酵素可被活化,啟動環狀 DNA 自行複製,並且 DNA 轉錄所需的酵素也可在過程中增生產出。結果顯示,歷經 60 天、30 輪基因複製過程後,環狀 DNA 產量較初始高出 10 倍。

相較原始的環狀 DNA 片段,60 天後生成的 DNA 已累積一些突變片段,帶來的基因表現改變包含:DNA 聚合酶活性提升、Cre 重組酵素對聚合酶的抑制能力降低,這些因素都可提升 DNA 複製效率。

人工合成環狀 DNA 基因組示意圖,圖片來源:《ACS Synthetic Biology》

人工合成 DNA 基因組重大突破的技術應用性

此項人工合成技術為首度可在細胞外重製 DNA 基因組的方法,未來只需要在培養環境中提供原始模板必須的胺基酸及核酸等物質,即能進行 DNA 複製。這項技術更對於人工合成細胞有重大突破,合成細胞相較人體細胞更穩定並利於控制,若能以合成細胞進行藥物試驗或生技研發都會有所貢獻。

延伸閱讀:染色體可人工合成?線蟲體內合成染色體助基因治療

參考資料:
1. https://www.jst.go.jp/pr/announce/20211116/index_e.html
2. ACS Synth. Biol. 2021; https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssynbio.1c00430

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