首度可在细胞外复制 DNA 基因组,人工合成细胞成真不远了!

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细胞是生物体运作的最基本单元,细胞内的遗传物质 DNA 转录为 RNA,RNA 再转译成蛋白质是许多生理功能的基础。不过现有科学技术只有办法在“细胞”环境下执行遗传物质的转录、转译,一旦脱离细胞,这项功能便无法运作。

日本东京大学(University of Tokyo)近期发布《ACS Synthetic Biology》最新研究,提出一项合成 DNA 新技术。Norikazu Ichihashi 教授研究团队研发出可在非细胞条件下,只需给与合成所需的核酸或蛋白质,即能使 DNA 基因组自行增生复制,60 天内产量高达 10 倍。

合成 DNA 技术,蓝海市场待开发!(基因线上国际版)

可在细胞外复制 10 倍环状 DNA 技术

该研究团队利用在水中形成油滴,以作为细胞外人工合成环状 DNA 合成的环境。环状 DNA 为闭锁构造的 DNA,这种形式 DNA 在细菌中广泛出现,其中最具代表性的是质体(plasmid),其基因子量少多在 100 个以内,便利操作的特性使其大量被应用于生物技术上。

此项人工合成技术所运用的原始环状 DNA,带有 DNA 聚合酶 phi29、以及 Cre 重组酵素(recombinase)片段,油滴作用环境中上述两种酵素可被活化,启动环状 DNA 自行复制,并且 DNA 转录所需的酵素也可在过程中增生产出。结果显示,历经 60 天、30 轮基因复制过程后,环状 DNA 产量较初始高出 10 倍。

相较原始的环状 DNA 片段,60 天后生成的 DNA 已累积一些突变片段,带来的基因表现改变包含:DNA 聚合酶活性提升、Cre 重组酵素对聚合酶的抑制能力降低,这些因素都可提升 DNA 复制效率。

人工合成环状 DNA 基因组示意图,图片来源:《ACS Synthetic Biology》

人工合成 DNA 基因组重大突破的技术应用性

此项人工合成技术为首度可在细胞外重制 DNA 基因组的方法,未来只需要在培养环境中提供原始模板必须的胺基酸及核酸等物质,即能进行 DNA 复制。这项技术更对于人工合成细胞有重大突破,合成细胞相较人体细胞更稳定并利于控制,若能以合成细胞进行药物试验或生技研发都会有所贡献。

延伸阅读:染色体可人工合成?线虫体内合成染色体助基因治疗

参考资料:
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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