合成生物学家是生物学的计算机程序员。他们的代码吗?DNA。

整个计划听起来很神奇:你以a、T、C、G字母链的形式将新的DNA代码片段插入一个有机体,然后砰!突然间,细菌可以制造抗疟疾药物,细胞可以像计算机一样解决复杂的逻辑问题。

只不过事情没那么简单。合成生物学的基础是dna——通常是大量的dna,以多种基因的形式存在。从零开始制造一个普通的基因需要花费几百美元和的时间。想象一下,一个程序员花了一个月的时间来输入一行新代码,您可能会理解合成生物学家的沮丧。

现在,一个新的方法发表在七月号自然生物技术以一种更快、更便宜、更准确的方法革新DNA合成。加州大学伯克利分校的一个研究小组从大自然中获得灵感,破解了一个存在了几十年的谜题,使他们能够利用TdT的超能力。TdT是我们体内专门制造基因的蛋白质。

这项新技术是如此简单和无毒,该团队相信它可以为科学家(甚至是生物黑客)带来“DNA打印机”,类似于现在研讨会上可用的3D打印机。

“如果你是一名研究人员或生物工程师,你有一个简化DNA合成的仪器,一个‘DNA打印机’,你可以更快地测试你的想法,并尝试更多的新想法。我认为这会带来很多创新。”研究作者丹·阿罗。

“这是未来。这将是巨大的,”乔治·丘奇博士是哈佛大学的先驱遗传学家和合成生物学家,他没有参与这项研究。丘奇正在领导一个大规模的DNA合成项目GP-WRITE该项目旨在打造“超级英雄”细胞,抵御包括感染和衰老在内的所有类型的疾病。

如果这种新方法得到进一步优化,将推动GP-WRITE朝着它的目标前进,并彻底改变我们从零开始构建新基因组——或许还有生物体的能力。

DNA蓝调

当今最流行的DNA合成方法是一种起源于有机化学、已有近40年历史的传统技术。该方法将DNA的四个字母用一种有毒化学物质混合在一起。每个字母需要三分钟的时间添加,而且很容易出错。让合成生物学家恼火的是,定制的DNA链通常最多只有200个字母,否则就会产生太多的错误——一个基因中通常有数千个字母。

相比之下,我们的身体每秒可以增加1000个字母,几乎没有错误。多亏了一种叫做聚合酶的DNA构建体,我们的细胞使用一条DNA单链作为模板,有效地制造出互补的新链——将a替换为T, C替换为G,反之亦然。

早在20世纪60年代,科学家就梦想着利用聚合酶来简化DNA合成。他们甚至瞄准了一种特定的候选基因:TdT,它与其他基因不同,它将DNA字母连接到现有的链上没有模板的要求是每分钟200个字母。

TdT的创造潜力来自于它的自然作用。这种聚合酶会产生新的基因变异,从而产生抗体,帮助我们的身体在没有任何经验的情况下识别新的入侵者。

但有一个问题:这种酶是随机连接DNA字母的,它是一个万能牌。这显然不适用于需要特定基因序列的科学家。

更重要的是,这种酶非常挑剔。通常情况下,科学家会对每个DNA字母的化学结构稍加修改,以便每次添加一个。TdT并不热衷于使用这些修改过的字母。一个系统,例如加一封信大约需要一个小时——太慢了,没有任何实际用途。

科学家们也试图在TdT上“挖个洞”,这样它就能更好地抓住修改后的DNA字母。这种方法也失败了:修改酶的同时保持其活性比预期的要困难得多。

多年来,科学家们一直困惑于如何说服这种酶每次添加一个特定的字母。

这就是伯克利团队的切入点。

外箱

成功的方法是将每个DNA字母直接与酶连接起来。

该团队从四个不同的DNA字母库开始。这些字母是溶解在水里的。每一个都松散地附着在TdT的副本上,通过一个可以被破坏的化学链。

当添加一个DNA字母时,酶基本上会把每个字母拖到DNA链上。这里有一个巧妙的部分:因为这个字母附着在体积庞大的TdT上,酶本身自然地阻止其他字母的添加,仅仅是因为没有空间让另一个TdT-DNA字母组合与DNA链发生反应。

为了进一步延长这条链,研究小组打捞出了产品,剪断了链条,释放了酶,暴露了DNA链的末端。链现在准备好进行另一轮添加。

这种想法是反直觉的,因为科学家经常把这种酶保存在周围。但该研究的负责人杰伊·科斯林(Jay Keasling)博士解释说,用细菌制造TdT既便宜又容易。

“与其重复使用酶作为催化剂,”这是所有之前的尝试试图做的,他说,“[我们认为]让我们把它扔掉。”

在一个概念验证试验中,该团队使用修改后的tdt手工制作了一个10个字母的DNA链。这个速度是惊人的:他们可以在10到20秒内添加一个新的DNA字母——大约比目前的方法快18倍。

虽然合成长DNA链需要大约一分钟的时间,但与传统方法相比,这种新技术在速度方面更胜一筹。从零开始制造一个新基因可能只需要一天,而不是几周。

“这种方法的一个关键优势是,DNA的主干——实际上进行化学反应的部分——就像天然DNA一样,所以我们可以尝试从酶中获得全速,”解释Arlow。

自然DNA合成

在DNA构建方法成为主流之前,该团队还需要做一些调整。

部分原因是准确性。到目前为止,经过几十年的微调,传统的DNA合成每一步的准确率达到了99.5%。伯克利团队的计算结果是大约98%——尽管在数千轮测试中累积起来的差异很小。

Arlow说:“对于这个50多年的问题来说,第一次尝试还不错。”他还补充说,目标是达到99.9%,制造一个超过1000个字母的基因长度的DNA链。

该研究的作者Sebastian Palluk说:“我们认为我们很快就能赶上,并且相信我们可以推动这个系统远远超越目前化学合成的局限。”“我们的梦想是直接合成基因长度序列,并在几天内将其提供给研究人员。”

丘奇说:“这确实是第一批提出新想法的人之一。”这种聪明的黑客手段可能会彻底改变合成生物学书写新基因和新生物体的希望。在DNA中存储大量数据的梦想也可能实现。

这项研究只是合成生物学指数未来的一个缩影。正如丘奇所说,“请继续关注。”

图片来源:Yurchanka Siarhei/Shutterstock.com

范雪来,神经科学家,科学作家。她在不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)完成了神经科学博士学位,在那里她开发了神经退化的新疗法。在研究生物大脑的过程中,她迷上了人工智能和所有的生物技术。毕业后,她搬到加州大学旧金山分校(UCSF)研究让衰老大脑恢复活力的血液因子。她是…

跟雪莉: