法国一家生物技术初创公司的DNA新“写法”提振合成生物学

一个分子结构展示了构建DNA链的聚合酶。图片来源：DNA Script

虽然科学家能以更快的速度阅读DNA序列，但其编写DNA的能力并未跟上。那些想要的用于诸如合成生物学等领域的“定制”DNA，只能勉强对付在缓慢且昂贵的化学过程中被合成的短链。

这种情况似乎即将改变。近日，来自法国一家生物技术初创公司的研究人员在于美国旧金山举行的合成生物学会议上宣布，利用生物体内编写DNA的酶的近亲，他们能创建长达150个核苷酸碱基的DNA链。仅在几个月前，这一纪录还是50个核苷酸碱基。同时，最新技术与标准的化学方法几乎势均力敌。

“这是一个重要的里程碑。”未参与该工作但正致力于开发类似技术的哈佛医学院遗传学家George Church表示，最新成果将酶催化DNA合成“置于看起来呈指数增长的曲线上”。

Church和其他人认为，如果确实如此，想创建新基因组或者利用DNA存档大量信息的研究人员很快将拥有更长的DNA片段。同时，它们将以更快的速度和更低廉的成本被制造出来。

尽管传统的化学DNA合成一直是小型化和自动化的，但背后被称为酰胺三酯合成法的技术自上世纪80年代被开发出来后几乎未变。它涉及每次添加一个核苷酸碱基，而每个碱基的顶端装有保护基以阻止其发生反应，直至科学家将顶端保护基移除并添加下一个碱基。

这种方法并不完美。每添加一个碱基，会有0.5%的出错几率。DNA链越长，含有错误的几率越大。这将DNA链的长度限制在约300个碱基以内。如果研究人员希望编写含有上千个碱基的基因，就必须不辞辛劳地将片段“缝合”在一起。酶催化合成有望通过选择聚合酶而做得更好。聚合酶是一种被生物用于将核苷酸“系”在一起形成基本不会出现错误的长序列的酶。

Church介绍说，尽管酶催化DNA合成努力从这10年才刚刚开始，但约有6家公司正致力于研究该方法。其他公司则正在推动数据存储和生物医学应用的发展，以随时应对DNA图谱率提升这一天的到来。位于加州圣地亚哥的酶催化DNA合成公司——“分子组装体”首席执行官Michael Kamdar表示，传统化学DNA合成的年度市场规模约为10亿美元，而数据存储市场超过140亿美元，尽管DNA可能只占了一小部分。“在接下来的两三年内，你将在市场上看到酶催化DNA合成的各种应用。如果不是我们做出的，那么肯定也会有其他人。”位于法国巴黎的“DNA脚本”公司联合创始人、首席运营官Sylvain Gariel表示。

从化学合成向聚合酶转变带来了很多挑战。在活体细胞内，大多数聚合酶从模板链开始，然后创建将A碱基和T碱基配对、G碱基和C碱基配对的互补链。免疫细胞中针对A碱基的聚合酶被称为末端脱氧核苷酰转移酶(TdT)。它在没有模板的情况下运行，从而使其成为科学家针对酶催化合成的最常见选择。然而，由于TdT随机添加新的DNA序列，因此研究人员不得不想办法迫使其每次仅添加一个想要的序列。

Gariel带领的团队通过为每个DNA碱基装上专属保护基做到了这一点。和在化学合成过程中一样，这种保护基可阻止TdT向不断生长的DNA链中每次添加多个序列。在正确的序列被添加并且其保护基被移除后，这一循环不断重复。根据Gariel的说法，添加一个序列仅需要5分钟，并且准确度达到99.5%。

“这太棒了。”“分子组装体”联合创始人、首席科学官William Efcavitch表示，这种速度和准确度再加上150个核甘酸长度的DNA链，使酶催化合成和以5~10分钟为一个周期的传统亚磷酰胺DNA合成几乎不相上下。

大多数专家认为，酶催化方法拥有很大的改善空间。“酶催化合成的潜力远远超过化学合成。”Kamdar表示。最终，“DNA脚本”首席执行官Thomas Ybert说，他希望自己的公司每天能编写1000个碱基长度的DNA链。该公司还希望在2020年初开始出售自动化的酶催化DNA合成器。