Trwająca rewolucja w syntezie DNA może pomóc w budowie genomów od zera

DNA Script, francuska firma, ogłosiła przełom w enzymatycznej syntezie DNA, technice, która może pewnego dnia pomóc naukowcom w budowie genomów od zera - choć konieczne są dalsze badania.

DNA to plan, który zapewnia doskonałą złożoność i ciągłość życia. Ten polimer chemiczny jest obecny w każdym z naszych trylionów komórek, aw niektórych przypadkach pojedyncza zmiana litery DNA (A, T, C i G) może powodować poważne choroby genetyczne, w tym mukowiscydozę i anemię sierpowatą .

Dr Alexander Todd, brytyjski biochemik, był jednym z pierwszych naukowców, który opracował metody chemicznej syntezy polimerów DNA. Todd otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii z 1957 r. Za pracę nad chemią nukleotydów i syntezą DNA, z których większość miała miejsce na piętach struktury DNA Watsona i Cricka z 1953 r. Todd opracował metodę syntezy DNA zwaną syntezą H-fosfonianu, którą szybko zastąpiono bardziej wydajnymi metodami chemicznymi.

Oryginalny model struktury DNA autorstwa Watsona i Cricka, oparty na obrazach dyfrakcji rentgenowskiej autorstwa Rosalind Franklin i Maurice'a Wilkinsa. Struktura ta mieści się obecnie w Science Museum w South Kensington, Londyn, Wielka Brytania.

W latach 70. dr Marvin H. Caruthers, amerykański biochemik, opracował znacznie lepszy sposób syntezy DNA, który nadal opierał się na środkach chemicznych, ale był bardziej wydajny i stabilny niż poprzednie podejścia. Do dziś większość firm oferujących syntetyczne DNA stosuje metodę Caruthersa, zwaną metodą fosforoamidytową.

Istnieją pewne poważne wady współczesnych metod syntezy DNA, z których najbardziej dokuczliwe jest to, że technologia nie może być użyta do syntezy nici DNA z powtarzalnymi sekwencjami nukleotydowymi, ponieważ wiążą się one i zatrzymują proces budowy. Jest to poważny problem, ponieważ genomy żywych organizmów często zawierają długie, powtarzalne sekwencje DNA. Ponieważ naukowcy starają się stworzyć całe genomy od zera, które wymagają milionów, a nawet miliardów zasad DNA, konieczne są drastycznie ulepszone metody syntezy DNA.

W zeszłym tygodniu DNA Script, firma z siedzibą w Paryżu, we Francji, poinformowała, że ​​z powodzeniem zsyntetyzowała nić DNA o długości 50 nukleotydów, stosując wyłącznie podejścia enzymatyczne. Oznacza to, że zamiast stosować konwencjonalną chemię fosforoamidytów, wykorzystali białka do syntezy DNA dla nich bez potrzeby stosowania drogich odczynników i niestabilnych sekwencji pośrednich. Podczas gdy 50 nukleotydów może nie brzmieć dużo, a technologia wciąż nie jest zbliżona do możliwości syntezy fosfamidamidu, firma była w stanie zsyntetyzować 3 nici DNA przy użyciu tego podejścia w 2015 roku.

Jedną ważną zaletą enzymatycznej syntezy DNA nad chemią fosforoamidytu jest to, że po skalowaniu technologia będzie prawdopodobnie znacznie tańsza niż chemia fosforoamidytu, ponieważ nie wykorzystuje kosztownych (i szkodliwych dla środowiska) odczynników chemicznych.

Skrypty DNA nie są jedynymi w swoim rodzaju, aby odblokować nowe, bardziej wydajne podejście do syntezy DNA. Nuclera Nucleics, firma z siedzibą w Wielkiej Brytanii, w której dr George Church jest doradcą naukowym, również konkuruje o przyszły udział w rynku.

Tempo badań enzymatycznej syntezy DNA postępuje w zawrotnym tempie w środowisku akademickim, a także - w poniedziałek laboratorium Jaya Keaslinga w UC-Berkeley poinformowało o enzymatycznym systemie syntezy DNA, który wykorzystuje nukleotydy przywiązane do białek polimerazy w celu wydłużenia nici DNA. Praca ta, prowadzona przez doktorantów Daniela Arlowa i Sebastiana Palluka, pokazuje, że nowy system syntezy enzymatycznej może dodać nową parę zasad DNA do rosnącej nici w latach 10–20 i może to zrobić bez użycia toksycznych odczynników z metody fosforoamidynowej.

Chociaż ta enzymatyczna metoda syntezy DNA wciąż nie jest tak wydajna ani wystarczająco dokładna do syntezy całego genomu, to tylko kwestia czasu, aby genomy organizmów można było zaprojektować i zbudować od podstaw w szybki, skuteczny sposób - przy użyciu enzymów lub konwencjonalna chemia fosforoamidytów.

Konsorcjum Yeast 2.0 to ciągłe międzynarodowe wysiłki prowadzone przez dr Jefa Boeke'a, genetyka z NYU Langone Medical Center, mające na celu zbudowanie genomu Saccharomyces cerevisiae, czyli drożdży piekarskich, całkowicie od zera metodami chemicznymi. Ten projekt jest szczególnie ambitny, ponieważ drożdże mają ponad 12 milionów zasad DNA zorganizowanych na 16 różnych chromosomach. Zespoły w Australii, Chinach, Stanach Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii i Singapurze są odpowiedzialne za budowę części genomu. Pierwszy syntetyczny chromosom dla konsorcjum Yeast 2.0 został ukończony w marcu 2014 r. Od tego czasu ukończono pięć dodatkowych chromosomów.

Drożdże piekarnicze, które są używane do warzenia piwa i robienia chleba, są centralnym punktem projektu Yeast 2.0, którego celem jest synteza całego genomu przy użyciu chemicznej syntezy DNA.

Nigdy nie zadowalając się odpoczynkiem, naukowcy będą nadal przesuwać granice syntezy genomu. Jedna inicjatywa, która jest jeszcze w powijakach, nazywa się GP-Write. Prowadzone częściowo przez dr. George Church i Jef Boeke, GP-Write mają na celu odkrycie wiodących zasad biologicznych, które umożliwią szybką, ekonomiczną syntezę genomów na dużą skalę od podstaw. Ponieważ to konsorcjum rośnie i nadal rekrutuje wiodących naukowców z całego świata, kwestią czasu jest zbudowanie genomu człowieka całkowicie de novo, być może dzięki metodom enzymatycznej syntezy DNA, które są dziś pionierem.

Chcesz być na bieżąco z najnowszymi aktualnościami w nauce i technologii?

Dołącz do nas na Facebooku

Śledź nas na Twitterze.

Klaśnij, jeśli podobał Ci się ten artykuł i zostaw komentarz poniżej ze swoimi pytaniami.