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新品“DNA 3D打印机”或可让科学家快速合成出更长DNA链

加利福尼亚大学伯克利分校的科学家们发明了一种按需创建DNA序列的新方法,该方法有望更快更便宜。它不需要使用有毒化学物质,并且比迄今世界各地实验室使用的常规DNA合成技术更准确。新方法可以在夜间合成基因——它可以产生比人工制造的DNA链长十倍的DNA链。科学家们表示,新办法可能导致研究实验室的“DNA 3D打印机”像许多现代化展览会中的3D打印机一样去工作。

加州大学伯克利分校的研究生DanArlow说:“如果你是一名机械工程师,拥有一台3D打印机真的很棒——它可以在一夜之间打印出一部分,让你可以在第二天早上进行测试。如果你是研究人员或生物工程师,而且你有一种简化DNA合成的工具——‘DNA打印机',你便可以更快地测试你的想法,并尝试更多的新想法。”

随着公司订购定制基因,合成DNA是一项日益增长的业务,因此他们可以在微生物大桶中生产出生物药物、工业酶或有用的化学物质。世界各地的实验室购买合成基因植入植物或动物,或尝试新的基于CRISPR的疾病治疗。一些科学家甚至提出将信息存储在DNA中,因为一克DNA在理论上可以存储相当于5000万张DVD,并且应该稳定数百年。这就意味着合成的DNA链比目前在生物技术行业使用的DNA链数量要大得多。

然而,目前的DNA合成是使用1981年开发的基于有机化学方法学的技术来生产长约200个碱基的所谓寡核苷酸,因为随着长度增加,该过程中不可避免的错误将导致正确序列的产出降低。要装配一个小基因,科学家们必须逐段合成它,大约200个碱基长,然后将它们缝合在一起。这种技术非常耗时且非常昂贵,还不完全精确。

联合生物能源研究所的SebastianPallukDaniel Arlow是劳伦斯伯克利国家实验室的一员。

新的“DNA 3D打印机”方法基于DNA合成酶和免疫系统细胞中发现的TdT(脱氧核苷酸转移酶末端),TdT天然能够将核苷酸添加到水中现有的最稳定的DNA分子中。与其他酶不同,TdT不依赖于现有的DNA模板进行复制。相反,它会将核苷酸随机添加到制备用于免疫系统的抗体的基因中。

德国达姆施塔特技术大学的博士生和伯克利实验室的访问学生Sebastian Palluk说,TdT在加入所有四种DNA核苷酸方面效果同样好,没有副作用,可能会导致产生的分子结块,而且速度非常快,每分钟延伸DNA200个碱基,如果你让它自由飞行的话。

事实上,伯克利的研究人员在他们的第一个试验中表明,他们的技术更快、更简单,且当前每一步合成几乎都是精确的。

“当我们使用NGS分析产品时,我们能够确定大约80%的分子具有期望的10碱基序列,”Arlow说。“这意味着,平均每个步骤的产量约为98%,我们希望达到99.9%以制造足够长的DNA。”

一旦它们达到99.9%的保真度,他们可以一次性合成一个1000个碱基长的分子,产率超过35%,这对于目前的化学合成技术是完全不可能的,Palluk说。

这种新方法旨在加速多领域的研究,使生物工程人员更容易更快找出如何生物制造有用产品。它可能是合成生物学发展的一个进步,合成生物学是一个为实际目的而研究人造微生物的创造的分支。


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