一天內造出基因成真！新技術可精確「書寫」DNA序列

08-12

來自專欄 DeepTech深科技27 人贊了文章

多虧了一種能夠模仿動物體複製自己 DNA 的新興技術，一天之內就創造出一個新的基因不再是空談。儘管這項技術還有一些方面有待改進，但有朝一日它能幫助研究者們快速地重寫微生物的基因，隨即合成新的治療藥物以及新的營養物質。作為在合成生物學領域開創了眾多 DNA 讀寫技術的專家，來自哈佛大學的遺傳學家 George Church 認為這項技術意義重大，會是人類未來的福音。

圖 | 新的DNA合成技術或在合成生物學和數據存儲領域帶來革命性變化（圖源：EDUARDO DE UGARTE/BERKELEY LAB CREATIVE SERVICES）

在這項新興技術被提出之前，科學家們其實從上世紀七十年代起就知道如何人工製造 DNA。傳統的製造方法是將組成 DNA 的核苷酸單元（四種不同類型的核苷酸以不同的含氮鹼基相互區分，分別是腺嘌呤 A、鳥嘌呤 G、胞嘧啶 C、胸腺嘧啶 T）逐一加在一起，直到形成一條名叫寡核苷酸（oligonucleotide，簡稱 oligo）的長鏈。但是，這種方法會用到一系列有毒的有機反應物，速度慢而且錯誤率高。這使得人工合成的寡核苷酸長度不會超過 200 個 bp（鹼基對）。而大多數基因至少也由幾千個 bp 構成，這項技術顯然無法滿足需求。

如果換一個思路會怎麼樣呢？我們知道，我們的細胞可不是這麼製造 DNA 的。在生物體中，一系列的 DNA 聚合酶（polymerases）會先讀取一條 DNA 模版的信息，然後合成與這條 DNA 互補配對的另外一條 DNA，最後兩者結合。正是 DNA 聚合酶的這個特性給予了研究者們新的思路。

在過去幾十年里，大多數研究者們把目光放在一種叫做末端脫氧核苷酸轉移酶（terminaldeoxynucleotidyl transferase，簡稱 TdT）的 DNA 聚合酶上，因為它事先不需要任何 DNA 模版就能將新的核苷酸結合到寡核苷酸鏈上。由於這個特點，天然存在的 TdT 有潛力創造出抗體的幾百萬種不同的形式（因為可組成的基因種類繁多），然後免疫系統會從中挑選最合適的抗體來應對外來的「侵略者」。但是，天然存在的 TdT 只能將新的核苷酸隨機地加在一起，並不能像研究者們期望的那樣精確控制核苷酸序列。

圖 | TdT 與鹼基「綁」在一起（圖源：Nature Biotechnology）

來自加州勞倫斯伯克利國家實驗室項目（Lawrence BerkeleyNational Laboratory）的 Jay Keasling 實驗室的博士生 Sebastian Palluk 說，他們一直在嘗試讓 TdT 每次只將一個核苷酸加到目標核苷酸鏈上，暫停一下，然後再將一個不同的核苷酸結合上去。為此，他們將一些化學基團加到 DNA 的四個鹼基上，讓這些化學基團發出"停止"的信號。舉個例子，當 TdT 把一個被化學基團修飾的腺嘌呤 A 的核苷酸加到任意長度的寡核苷酸鏈上時，由於這個鹼基的結構不符合 DNA 合成的規律，TdT 便不會再將下一個帶有不同鹼基的核苷酸加上去。這樣一來，一次只加一個核苷酸的目標完成了，這條寡核苷酸鏈會被純化，然後用一些別的化學物質把多餘的、之前用來作為阻攔的化學基團切除，為下一次的合成做準備。

但是 TdT 與這些修飾過的核苷酸配合得不怎麼好。據 Palluk 評價說，TdT 是非常挑剔的。他記得，在一次實驗里，他們在每個寡核苷酸上加一個修飾的核苷酸就花了一個小時。這麼慢的速度顯然讓這個方法的應用不切實際。

Palluk 為改善這個方法花了近兩年的時間，但效果甚微。另一位在同一個實驗室里的博士生 Daniel Arlow 也一直在研究如何用酶合成 DNA。在兩人交流之後，他們決定專攻一種新的技術。首先，他們會為四種鹼基培養四個不同的庫，每個庫里有很多份相應的鹼基與 TdT 「拴」在一起的拷貝。然後，在已有的寡核苷酸鏈的基礎上，他們從其中一個庫中拿一個鹼基加到這條鏈上。當這個鹼基被加到寡核苷酸鏈上時，TdT 還依然被拴在鹼基上，從而阻止了其他的 TdT 與這條鏈再次反應，起到了暫停結合的作用。這條新的寡核苷酸鏈隨即就會被拿去處理，多餘的 TdT 被剪掉，為下一次的鹼基結合做準備。

Keasling 說，這個方法應該非常便宜，因為 TdT 可以在細菌和酵母中大量生產出來。同時，根據 Palluk, Arlow, Keasling 發表在《自然·生物技術》（Nature Biotechnology）文章的數據，大多數的核苷酸結合到寡核苷酸鏈只需要 10 到 20 秒，這項技術的效率可觀。不過，剪掉拴在鹼基上的 TdT 還要花大概一分鐘，所以總體來說，合成一個基因可能還是要花上整整一天時間。

圖 | 新 DNA 合成技術（圖源：Nature Biotechnology）

Church 評價說，這項新技術可能還不足以完全取代傳統的 DNA 合成方法。首先，Keasling 的小組目前只合成了一條只有 10 個 bp 那麼長的寡核苷酸鏈。並且，這項技術在合成研究人員期望的 DNA 時，準確率只有 98%，而傳統方法可達 99%。Palluk 自己也說：「首次向外界展示出這項技術是很刺激的，但是我們還有很多要努力的地方。」

為了創造出有上千個 bp 那麼長的寡核苷酸鏈，這項技術可能需要有 99.9% 的準確率才行。Church 說，如果未來真能做到這樣，這項技術不僅僅會讓合成生物學領域裡創造和測試基因的方法發生革命性的改變，也便於創造出巨大的 DNA 資料庫，從而將那些科研項目（比如天文學研究問卷）的大批量信息以 DNA 形式存檔，以便日後參閱。