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基因合成是當(dāng)前合成生物學(xué)的主要內(nèi)容，通過基因合成，可以獲得自然界中不存在的基因，為人類改造生物開辟了一個(gè)全新的方向，在可預(yù)計(jì)的將來，基因合成將在生命科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。但是，目前基因合成速度仍無法*迎合生物學(xué)發(fā)展的需求。日前，《Nature Biotechnology》發(fā)表的一篇新文獻(xiàn)指出，一項(xiàng)新的基因合成技術(shù)竟然將新基因合成時(shí)間縮短至一天！這無疑解決了科學(xué)家們的燃眉之急！

基因合成的大難題—快速控制聚合酶

完整的生物細(xì)胞可提供基因合成所需的環(huán)境、底物、酶等條件，而體外基因合成的條件就必須人工創(chuàng)造，其中大的難點(diǎn)是找尋合適的DNA聚合酶。傳統(tǒng)的基因合成多用于抗體基因的創(chuàng)造，多使用末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶（TdT），它可在不遵循DNA模板鏈的狀態(tài)下將新核苷酸添加到寡核苷酸鏈上，從而編寫了數(shù)百萬個(gè)抗體基因的新變種，而免疫系統(tǒng)就可以通過這些變種來靶向入侵者。但天然的TdT只能隨機(jī)添加新脫氧核苷酸，研究人員無法地控制合成過程。

TdT作用下的DNA序列合成過程

隨后，有科學(xué)家在DNA的四個(gè)堿基中添加化學(xué)基團(tuán)，生成“終止片段”，能順利阻止TdT的進(jìn)一步作用，隨后洗凈后并切斷封閉組，再進(jìn)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(gè)基因合成系統(tǒng)的一個(gè)停止-重啟過程需要一個(gè)小時(shí)左右，大大影響了基因合成效率，而且降低了實(shí)用性。因此，如何快速地控制TdT的作用成為大難題。

新技術(shù)另辟蹊徑—讓“終止”變得可逆

我們知道，DNA聚合酶將個(gè)脫氧核苷酸加到引物RNA的3'-OH末端復(fù)制是前導(dǎo)鏈DNA合成的關(guān)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，那么TdT與RNA源性的引物可否產(chǎn)生聚合DNA外的效應(yīng)呢？該文章的研究人員們?cè)O(shè)計(jì)出了TdT-dNTP綴合物，其摻入到引物時(shí)可主動(dòng)與3'末端共價(jià)連接，這就阻止了其他TdT-dNTP綴合物與引物的結(jié)合，當(dāng)需要進(jìn)一步延伸時(shí)可切割接頭，將引物的3'末端去保護(hù)，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(jù)需求開啟或結(jié)束TdT的作用。

TdT-dNTP綴合物終止基因延伸

TdT-dNTP在10-20s內(nèi)實(shí)現(xiàn)DNA分子單一核苷酸延伸

研究人員已經(jīng)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(gè)點(diǎn)，他們發(fā)現(xiàn)TdT-dNTP綴合物可在10-20s內(nèi)實(shí)現(xiàn)DNA分子的單一核苷酸延伸，因此這種延伸和去保護(hù)反應(yīng)的循環(huán)可以快速準(zhǔn)確得迭代寫出一個(gè)定義序列，合成一個(gè)完整的基因快只需要一天！這就解決了基因合成的燃眉之急。

但是，該技術(shù)并非無缺，其準(zhǔn)確率為98%，雖然也*，但仍低于傳統(tǒng)靠“終止片段”控制TdT作用的合成方法—其為99%，而且當(dāng)編輯大型基因數(shù)據(jù)庫時(shí)，其準(zhǔn)確率需要提高至99.9%，因此，該技術(shù)仍需進(jìn)一步的研究和提高。

參考文獻(xiàn)：

1.De novo DNA synthesis using polymerase- nucleotide conjugates

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