兵貴神速! 基因合成可望一天內完成

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傳統 DNA 合成方法

1981 年以來,主要的 DNA 合成方法是逐一將鳥糞嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)、腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)等四種含氮鹼基,添加到寡核苷酸(oligonucleotide)的增長鏈中。但在該製程仍有許多限制以及待改進之處,包含使用一連串的有毒有機試劑、速度很慢、容易出錯以及只能生成200 個含氮鹼基。大多數的基因約含數千個含氮鹼基,所以合成一個基因需花費相當長的時間。

不依賴 DNA 模板的終端去氧核醣核酸轉移酶(TdT)難控制 基因合成準確率低

細胞通常不會從頭開始合成 DNA,它們大部分都是在已經存在於細胞中的 DNA 模板(template)上,利用大量不同的聚合酶進行複製。然而,科學家們後來發現了一種不依賴 DNA 模板的終端去氧核醣核酸轉移酶(terminal deoxynucleotidyl transferase, TdT),TdT 能隨機添加核苷酸到製造免疫系統的抗體的基因上,且在這些基因中產生隨機變異,使得所得抗體蛋白能更好地標靶前外來的侵略者。但多年來許多科學家試圖利用 TdT 來合成所需的DNA 序列,也就是每次增加一個核苷酸並停止,然後再用不同的核苷酸重複這個過程,但 TdT 很難控制,使得他們無法準確地控制含氮鹼基的合成順序。

一種新的 TdT 連接寡核苷酸的方法 DNA合成更快速 

近日,加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)和勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的研究團隊,發明了一種新的 TdT 合成 DNA 方法,該方法較傳統方法更容易、更快速,而且不需要使用有毒化學試劑,該研究刊登於《Nature Biotechnology》。

該研究團隊首先將 4 個分離的含氮鹼基放入四個分開的實驗池中,每個鹼基都有 TdT 複製物連接到 A、G、C 或 T。接著,他們從一個實驗池中增加一個鹼基,以增長其寡核苷酸。在 TdT 將鹼基添加到寡核苷酸末端後,它仍粘連在鹼基上,並且阻止任何額外的酶複製物與寡核苷酸反應並進一步延伸。然後將現有的寡核苷酸從實驗池分離出來,游離的 TdT 被沖走,寡核甘酸也被預備添加下一個鹼基。雖然他們已經製造出 10 個鹼基的寡核苷酸,但該方法準確率僅為98%,低於傳統方法的 99%。未來若要合成長達 1000 個鹼基的寡核苷酸,該研究團隊必須需進一步提升該方法的準確率提升至 99.9%以上。

該研究團隊 Jay Keasling 教授指出,TdT 很容易在細菌和酵母菌中生產,所以他們新的 DNA 方法花費較少,而且它也很快,因為大多數新的核苷酸在 10-20秒內附著於生長中的寡核苷酸,分離寡核苷酸與 TdT 的步驟只需要一分鐘,因此未來若合成一個完整的基因,可望在一天內完成。

雖然該 DNA 合成方法仍需近一步提升其準確率,但也幫助科學界以及許多生物工程師明白如何透過合成基因技術快速生成有用的物質,包括食物、新藥和燃料等。

延伸閱讀:ICG-12基因科技前瞻趨勢 基因編輯與合成生物學

參考資料:
1. Nat Biotechnol. 2018 Jun 18. doi: 10.1038/nbt.4173.
2. http://www.sciencemag.org/news/2018/06/new-technique-could-help-scientists-create-gene-just-1-day
3. http://news.berkeley.edu/2018/06/18/new-dna-synthesis-technique-promises-rapid-high-fidelity-dna-printing/

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