合成生物學(xué)家是生物學(xué)的計(jì)算機(jī)程序員。他們的代碼?脫氧核糖核酸。

整個(gè)企業(yè)聽(tīng)起來(lái)很奇妙：你將一段新的DNA代碼片段 - 以A，T，C，G字母鏈的形式 - 插入生物體中，并且bam!突然之間，你就會(huì)產(chǎn)生可以制造抗瘧疾藥物或細(xì)胞的細(xì)菌，可以解決像計(jì)算機(jī)這樣復(fù)雜的邏輯問(wèn)題。

除了它不是那么簡(jiǎn)單。合成生物學(xué)的基礎(chǔ)是DNA，通常是許多基因形式的DNA。從頭開(kāi)始制作平均基因需要數(shù)百美元和數(shù)周的時(shí)間。想象一下程序員需要花一個(gè)月的時(shí)間來(lái)輸入新的代碼，你很可能會(huì)理解合成生物學(xué)家的挫敗感。

現(xiàn)在，7月號(hào)Nature Biotechnology上發(fā)表的一種新方法有望以更快，更便宜，更準(zhǔn)確的方法徹底改變DNA合成。從大自然中汲取靈感，加州大學(xué)伯克利分校的一個(gè)團(tuán)隊(duì)破解了幾十年前的謎題，讓他們能夠利用TdT的超級(jí)大國(guó)，TdT是我們自己身體內(nèi)專門制造基因的蛋白質(zhì)。

新技術(shù)非常簡(jiǎn)單，無(wú)毒，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為它可以為科學(xué)家(甚至生物黑客)帶來(lái)“DNA打印機(jī)”，類似于今天研討會(huì)上提供的3D打印機(jī)。

“如果您是研究人員或生物工程師，并且您擁有簡(jiǎn)化DNA合成的儀器，那么'DNA打印機(jī)'，您可以更快地測(cè)試您的想法并嘗試更多新想法。我認(rèn)為這將導(dǎo)致大量的創(chuàng)新，”說(shuō)研究報(bào)告的作者丹Arlow。

“這是未來(lái)。這將是巨大的，“喬治教會(huì)博士說(shuō)，他是哈佛大學(xué)的先驅(qū)遺傳學(xué)家和合成生物學(xué)家，沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。Church正在領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)名為GP-WRITE的大規(guī)模DNA合成項(xiàng)目，旨在建立能夠抵抗各種疾病(包括感染和衰老)的“超級(jí)英雄”細(xì)胞。

如果進(jìn)一步優(yōu)化，新方法可以推動(dòng)GP-WRITE朝著它的目標(biāo)前進(jìn)，并徹底改變我們從頭開(kāi)始構(gòu)建新基因組 - 或許可能是生物體的能力。

DNA藍(lán)調(diào)

今天最流行的DNA合成方法是一種近40年的傳統(tǒng)技術(shù)，它植根于有機(jī)化學(xué)。該方法采用DNA的四個(gè)字母，并使用混合有毒化學(xué)物質(zhì)將它們一個(gè)接一個(gè)地混合在一起。每個(gè)字母需要三分鐘才能添加，并且容易出錯(cuò)。令合成生物學(xué)家惱火的是，定制的DNA鏈通常只會(huì)出現(xiàn)200個(gè)字母，而不會(huì)出現(xiàn)太多的錯(cuò)誤 - 通常存在于基因中的數(shù)千個(gè)字母中的一小部分。

相比之下，我們的身體每秒可以增加1000個(gè)字母，幾乎沒(méi)有錯(cuò)誤。由于有多種稱為聚合酶的DNA構(gòu)建體，我們的細(xì)胞使用單鏈DNA作為模板，并有效地制備了一條互補(bǔ)的新鏈 - 用A代替T，用C代替G，反之亦然。

早在20世紀(jì)60年代，科學(xué)家就夢(mèng)想著利用聚合酶來(lái)簡(jiǎn)化DNA合成。他們甚至磨練了一個(gè)特定的候選人：TdT，與其兄弟不同，他將DNA字母附加到現(xiàn)有的鏈條上，而不需要每分鐘200個(gè)字母的模板。

TdT的創(chuàng)造潛力來(lái)自其自然角色。聚合酶編寫了制造抗體的基因的新變異，這有助于我們的身體在沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的情況下識(shí)別新入侵者。

但有一個(gè)問(wèn)題：這種酶是一張外卡，因?yàn)樗S機(jī)附著DNA字母。這顯然不適用于需要特定基因序列的科學(xué)家。

更重要的是，這種酶非常挑剔。通常，科學(xué)家會(huì)略微修改每個(gè)DNA字母的化學(xué)結(jié)構(gòu)，以便一次添加一個(gè)。TdT并不熱衷于使用這些修改后的字母。例如，一個(gè)系統(tǒng)需要大約一個(gè)小時(shí)才能添加一個(gè)字母 - 這個(gè)字母太慢而無(wú)法實(shí)際使用。

科學(xué)家們還試圖在TdT中“挖洞”，以便更好地抓住修改后的DNA字母。該方法也失敗了：修改酶同時(shí)保留其活性比預(yù)期困難得多。

多年來(lái)，科學(xué)家一直難以理解如何說(shuō)服酶一次添加一個(gè)指定的字母。

這就是伯克利團(tuán)隊(duì)的成員。

箱子外面

獲勝的技巧是將每個(gè)DNA字母直接連接到酶上。

該團(tuán)隊(duì)從四個(gè)獨(dú)立的DNA字母池開(kāi)始。這些字母完全溶解在水中。每一個(gè)都通過(guò)可被破壞的化學(xué)鏈松散地附著在TdT的副本上。

當(dāng)添加DNA字母時(shí)，酶基本上將每個(gè)字母拖到DNA鏈上。這是一個(gè)聰明的部分：因?yàn)檫@個(gè)字母與笨重的TdT相連，所以酶本身會(huì)自然阻止其他字母加入，這僅僅是因?yàn)闆](méi)有其他TdT-DNA字母組合與DNA鏈反應(yīng)的空間。

為了進(jìn)一步延伸鏈條，研究小組撈出產(chǎn)品并剪斷系繩以釋放酶并暴露DNA鏈的尾端。該連鎖店現(xiàn)已準(zhǔn)備好進(jìn)行另一輪補(bǔ)充。

這個(gè)想法是違反直覺(jué)的，因?yàn)榭茖W(xué)家經(jīng)常保留酶。但該研究指導(dǎo)的Jay Keasling博士解釋說(shuō)，TdT便宜且易于使用細(xì)菌。

“而不是重新使用酶作為催化劑”，這是之前所有嘗試的嘗試，他說(shuō)，“[我們認(rèn)為]讓我們把它扔掉。”

在概念驗(yàn)證試驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)使用修改后的TdT手動(dòng)制作了10個(gè)字母的DNA鏈。速度驚人：他們可以在10到20秒內(nèi)添加一個(gè)新的DNA字母 - 大約比當(dāng)前方法快18倍。

盡管剪切步驟仍然需要大約一分鐘，這在合成長(zhǎng)DNA鏈時(shí)會(huì)增加，但就快速性而言，與傳統(tǒng)方法相比，新技術(shù)在頂部出現(xiàn)。而不是幾個(gè)星期，從頭開(kāi)始制造新基因可能只需要一天。

“這種方法的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是DNA的骨架 - 實(shí)際上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的部分 - 就像天然DNA一樣，因此我們可以嘗試從酶中獲得全速，”Arlow解釋道。

天然DNA合成

在他們的DNA構(gòu)建方法使其成為主流之前，團(tuán)隊(duì)仍然需要進(jìn)行一些調(diào)整。

部分原因是準(zhǔn)確性。到目前為止，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的微調(diào)，傳統(tǒng)的DNA合成每步的準(zhǔn)確度達(dá)到99.5%。伯克利團(tuán)隊(duì)的方法大約為98% - 這是一個(gè)微小的差異，然而在數(shù)千輪中累計(jì)。

“對(duì)于這個(gè)50多歲的問(wèn)題，第一次采取行動(dòng)并不算太糟糕，”Arlow說(shuō)，并補(bǔ)充說(shuō)目標(biāo)是使其達(dá)到99.9%，以制造超過(guò)1,000個(gè)字母的基因長(zhǎng)度的DNA鏈。 。

“我們認(rèn)為我們很快就能趕上并相信我們可以推動(dòng)該系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前化學(xué)合成的限制，”研究作者Sebastian Palluk說(shuō)。“我們的夢(mèng)想是直接合成基因長(zhǎng)度序列，并在幾天內(nèi)將它們送給研究人員。”

“這真是一個(gè)有著新穎想法的首批大門之一，”Church說(shuō)。聰明的黑客可能正是革命合成生物學(xué)創(chuàng)造新基因和新生物的希望所需要的。將大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DNA中的夢(mèng)想也是可能的。