顛覆認知！一天竟可創造一個基因！

乾貨 | 靠譜 | 實用

作者：Ruthy,Zoe

導 讀

基因合成是當前合成生物學的主要內容，通過基因合成，可以獲得自然界中不存在的基因，為人類改造生物開闢了一個全新的方向，在可預計的將來，基因合成將在生命科學領域發揮巨大作用。但是，目前基因合成速度仍無法完全迎合生物學發展的需求。日前，《Nature Biotechnology》發表的一篇新文獻指出，一項新的基因合成技術竟然將新基因合成時間縮短至一天！這無疑解決了科學家們的燃眉之急！

基因合成的大難題—快速精確控制聚合酶

完整的生物細胞可提供基因合成所需的環境、底物、酶等條件，而體外基因合成的條件就必須人工創造，其中最大的難點是找尋合適的DNA聚合酶。傳統的基因合成多用於抗體基因的創造，多使用末端脫氧核苷酸轉移酶（TdT），它可在不遵循DNA模板鏈的狀態下將新核苷酸添加到寡核苷酸鏈上，從而編寫了數百萬個抗體基因的新變種，而免疫系統就可以通過這些變種來靶向入侵者。但天然的TdT只能隨機添加新脫氧核苷酸，研究人員無法精確地控制合成過程。

TdT作用下的DNA序列合成過程

隨後，有科學家在DNA的四個鹼基中添加化學基團，生成「終止片段」，能順利阻止TdT的進一步作用，隨後洗凈後並切斷封閉組，再進行下一次延伸。但是，TdT與「終止片段」的作用往往無法一蹴而就，每個基因合成系統的一個停止-重啟過程需要一個小時左右，大大影響了基因合成效率，而且降低了實用性。因此，如何快速精確地控制TdT的作用成為大難題。

新技術另闢蹊徑—讓「終止」變得可逆

我們知道，DNA聚合酶將第一個脫氧核苷酸加到引物RNA的3"-OH末端複製是前導鏈DNA合成的關鍵步驟，既然在基因合成過程中TdT與DNA源性的「終止片段」作用效果不甚理想，那麼TdT與RNA源性的引物可否產生聚合DNA外的效應呢？該文章的研究人員們設計出了TdT-dNTP綴合物，其摻入到引物時可主動與3"末端共價連接，這就阻止了其他TdT-dNTP綴合物與引物的結合，當需要進一步延伸時可切割接頭，將引物的3"末端去保護，由單一核苷酸加入延伸，這就使「終止」的過程從此變得可逆，研究人員可根據需求開啟或結束TdT的作用。

TdT-dNTP綴合物終止基因延伸

TdT-dNTP在10-20s內實現DNA分子單一核苷酸延伸

研究人員已經證明活性TdT-dNTP綴合物可通過兩種不同的連接子將核苷三磷酸連接到聚合酶表面上的各個點，他們發現TdT-dNTP綴合物可在10-20s內實現DNA分子的單一核苷酸延伸，因此這種延伸和去保護反應的循環可以快速準確得迭代寫出一個定義序列，合成一個完整的基因最快只需要一天！這就解決了基因合成的燃眉之急。

但是，該技術並非完美無缺，其準確率為98%，雖然也極高，但仍低於傳統靠「終止片段」控制TdT作用的合成方法—其為99%，而且當編輯大型基因資料庫時，其準確率需要提高至99.9%，因此，該技術仍需進一步的研究和提高。

參考文獻：

1.De novo DNA synthesis using polymerase- nucleotide conjugates

2.New technique could help scientists create a gene in just 1 day

END

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