新技术有望实现快速、高保真的DNA合成学术资讯

▲研究人员改造了一种人体中天然存在的酶，用于反复延长寡核苷酸链。来源：Marilyn Chung,伯克利实验室。

6月18日，美国加州大学伯克利分校的Jay D Keasling教授、德国达姆施塔特技术大学的博士生Daniel H Arlow和伯克利实验室的访问学生Sebastian Palluk等在Nature Biotechnology杂志在线发表了一篇论文。文中通过改造自然界的酶，发明了新的DNA合成技术。这项技术有望实现更快速、更准确、长度更长且无毒的DNA合成过程。

DNA合成技术具有广泛的应用，包括生产生物药物和酶、插入到生物体内进行基因功能研究或疾病的基因治疗。一些科学家甚至提出将信息存储在DNA中，1克的DNA存储容量相当于5000万张DVD，并且可以稳定储存数百年。

目前通用的DNA合成技术起源于1981年，属于化学合成，可以生产约不超过200个碱基的DNA序列。之所以在长度方面存在限制是因为随着长度的增加，不可避免的错误会导致正确序列的产量下降。要合成一段基因，必须逐段合成后拼接。这导致了DNA合成需要较高的时间和金钱成本。此外，合成还需要使用有毒物质，而对有毒物质的后期处理非常繁琐。

科学家们一直致力于发明准确、快速、低成本且低毒的DNA合成技术。生物体内的生物化学反应依靠各类酶，这些酶进化了数百万年，能够精确地催化反应。细胞通常不会从头开始合成DNA，大部分是在已有的DNA模板的基础上，利用大量不同的DNA聚合酶进行DNA复制。科学家曾经在免疫系统中发现了一种不依赖于已有DNA模板的聚合酶——末端脱氧核苷酸转移酶（TdT），它可以随机添加核苷酸到编码的抗体的基因上。TdT同样适用于添加四种DNA核苷酸种类的DNA合成反应，不仅没有副作用而且在理想条件下速度非常快——每分钟延伸约200个碱基。但TdT很难控制，关键是如何让它在添加一个核苷酸后停止，以便一次合成一个碱基。过去所有的控制都是使用携带防多次添加的阻断基团的核苷酸。在携带阻断基团的核苷酸加入到DNA分子中后，去掉封闭基团，然后进行下一个核苷酸的加入。然而在DNA合成过程中，当核苷酸正确定位时，TdT反应位点太紧密，无法像其他聚合酶一样容纳阻断基团。

在这项研究中，研究者将不携带阻断基团的核苷酸连接到TdT上，以便在将核苷酸添加到延伸中的DNA分子后，酶依旧保持连接并且阻止DNA链末端继续添加核苷酸。DNA分子延伸后，切断连接链以释放酶并重新暴露到DNA链末端进行下一个核苷酸的加入。

在第一次试验中他们创建了针对一个长10个碱基的寡核苷酸的10个循环合成反应，结果表明每一步合成过程的产物几乎都是准确的。大约80％的分子是准确的序列，平均每个步骤的产量约为98％。而一旦未来达到99.9％的保真度，就可以一次性合成1000个碱基长度的DNA分子，且产率超过35％。

Arlow希望这项技术促进人类更加可持续地生产服装、燃料和食品等，并帮助我们节约石油资源。

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编译：花花审稿：alone 编辑：张梦

来源：

https://phys.org/news/2018-06-faster-cheaper-dna.html