En løbende revolution inden for DNA-syntese kunne hjælpe med at opbygge genom fra skrammer

DNA Script, et fransk selskab, har annonceret et gennembrud i enzymatisk DNA-syntese, en teknik, der måske en dag kan hjælpe forskere med at opbygge genomer fra bunden - skønt der er behov for yderligere forskning.

DNA er den plan, der sikrer livets strålende kompleksitet og kontinuitet. Denne kemiske polymer findes i hver af vores billioner af celler, og i nogle tilfælde kan en enkelt ændring til et bogstav af DNA (A, T, C og G) forårsage alvorlige genetiske sygdomme, herunder cystisk fibrose og seglcelleanæmi. .

Dr. Alexander Todd, en britisk biokemiker, var en af ​​de første forskere, der udviklede metoder til kemisk syntese af DNA-polymerer. Todd modtog Nobelprisen i kemi fra 1957 for sit arbejde med nukleotidkemi og DNA-syntese, hvoraf det meste skete på hælene på Watson og Cricks DNA-struktur fra 1953. Todd udviklede en metode til at syntetisere DNA kaldet H-phosphonatsyntese, som hurtigt blev erstattet af mere effektive kemiske fremgangsmåder.

Watson og Cricks originale model af strukturen af ​​DNA, baseret på røntgendiffraktionsbilleder af Rosalind Franklin og Maurice Wilkins. Denne struktur er nu placeret i Science Museum i South Kensington, London, UK.

I 1970'erne havde Dr. Marvin H. Caruthers, en amerikansk biokemiker, udviklet en langt bedre måde at syntetisere DNA, der stadig var afhængig af kemiske midler, men var mere effektiv og stabil end tidligere fremgangsmåder. I dag bruger de fleste virksomheder, der tilbyder syntetisk DNA, Caruthers-metoden, der kaldes phosphoramidit-metoden.

Der er nogle alvorlige ulemper ved moderne DNA-syntesemetoder, hvoraf den mest irriterende er, at teknologien ikke kan bruges til at syntetisere DNA-strenge med gentagne nukleotidsekvenser, fordi de samler og stopper byggeprocessen. Dette er et alvorligt problem, fordi genomerne af levende organismer ofte indeholder lange, gentagne DNA-sekvenser. Da forskere ser ud til at skabe hele genomer fra bunden, som kræver millioner eller endda milliarder af baser af DNA, kræves drastisk forbedrede metoder til DNA-syntese.

I sidste uge rapporterede DNA Script, et firma med base i Paris, Frankrig, at de med succes havde syntetiseret en DNA-streng 50 nukleotider, der udelukkende anvender enzymatiske fremgangsmåder. Dette betyder, at de snarere end at anvende den konventionelle phosphoramiditkemi brugte proteiner til at syntetisere DNA'et for dem uden behov for dyre reagenser og ustabile mellemliggende sekvenser. Mens 50 nukleotider muligvis ikke lyder som meget, og teknologien stadig ikke er i nærheden af ​​egenskaberne ved fosforamidit-syntese, var virksomheden kun i stand til at syntetisere en 3 nukleotidstreng med DNA ved hjælp af denne fremgangsmåde i 2015.

En vigtig fordel, som enzymatisk DNA-syntese har over phosphoramiditkemi, er, at teknologien, når den først er skaleret, sandsynligvis vil være meget billigere end phosphoramiditkemi, fordi den ikke bruger dyre (og miljøskadelige) kemiske reagenser.

DNA-script er heller ikke alene i deres bestræbelser på at åbne en ny, mere effektiv tilgang til DNA-syntese. Nuclera Nucleics, et firma med base i Storbritannien, der kan prale af Dr. George Church som videnskabelig rådgiver, konkurrerer også om fremtidig markedsandel.

Tempoet for enzymatisk DNA-synteseundersøgelse skrider frem i et gennembrudt tempo i akademia, også - mandag rapporterede Jay Keaslings laboratorium ved UC-Berkeley om et enzymatisk DNA-syntesesystem, der bruger nukleotider bundet til polymerase-proteiner til at udvide DNA-strenge. Dette arbejde, ledet af kandidatstuderende Daniel Arlow og Sebastian Palluk, demonstrerer, at det nye enzymatiske syntesesystem kan tilføje et nyt basepar DNA til en voksende streng i 10-20-årene og kan gøre det uden at bruge giftige reagenser fra phosphoramidit-metoden.

Selvom denne enzymatiske DNA-syntesemetode stadig ikke er næsten så effektiv eller præcis nok til syntese af hel genom, er det kun et spørgsmål om tid, før organismernes genom kan designes og bygges fra bunden på en hurtig, effektiv måde - enten ved hjælp af enzymer eller konventionel phosphoramiditkemi.

Yeast 2.0-konsortiet er en igangværende, international indsats ledet af Dr. Jef Boeke, en genetiker ved NYU Langone Medical Center, til at opbygge genomet fra Saccharomyces cerevisiae eller bagegær helt fra bunden ved hjælp af kemiske metoder. Dette projekt er særlig ambitiøst, fordi gær har over 12 millioner baser af DNA organiseret over 16 forskellige kromosomer. Hold i Australien, Kina, USA, England og Singapore er hver især ansvarlige for at opbygge en del af genomet. Det første syntetiske kromosom til Yeast 2.0-konsortiet blev afsluttet i marts 2014. Siden da er fem yderligere kromosomer færdige.

Baker's gær, der bruges til at brygge øl og fremstille brød, er omdrejningspunktet for Yeast 2.0-projektet, der sigter mod at syntetisere hele genomet ved hjælp af kemisk DNA-syntese.

Aldrig indhold til at hvile, forskere vil fortsætte med at skubbe på konvolutten af ​​genomsyntesen. Et initiativ, der stadig er i sin spædbarn, kaldes GP-Writ. Dels ledet af Dr. George Church og Jef Boeke, GP-Writ har til formål at afdække vejledende biologiske principper, der muliggør hurtig og omkostningseffektiv syntese af store genomer fra bunden af. Når dette konsortium vokser og fortsætter med at rekruttere førende videnskabsfolk fra hele verden, er det kun et spørgsmål om tid, før et menneskeligt genom kan bygges helt de novo, muligvis med de enzymatiske DNA-syntese-tilgange, der pionerer i dag.

Vil du holde dig opdateret om de seneste nyheder inden for videnskab og teknologi?

Følg os på Facebook

Følg os på Twitter.

Klap, hvis du nød denne artikel, og skriv en kommentar nedenfor med dine spørgsmål.