Текуща революция в синтеза на ДНК може да помогне за изграждането на геноми от нулата

Френската компания DNA Script обяви пробив в ензимния синтез на ДНК - техника, която един ден може да помогне на учените да изградят геноми от нулата - въпреки че са необходими допълнителни изследвания.

ДНК е проектът, който осигурява блестящата сложност и приемственост на живота. Този химичен полимер присъства във всеки от нашите трилиони клетки и в някои случаи една промяна в буквата на ДНК (A, T, C и G) може да причини сериозни генетични заболявания, включително муковисцидоза и сърповидно-клетъчна анемия ,

Д-р Александър Тод, британски биохимик, беше един от първите учени, разработили методи за химичен синтез на ДНК полимери. Тод получава Нобеловата награда за химия през 1957 г. за работата си по нуклеотидна химия и синтез на ДНК, повечето от които се случват по петите на структурата на ДНК на Уотсън и Крик от 1953 г. Тод разработи метод за синтез на ДНК, наречен синтез на Н-фосфонат, който бързо беше заменен от по-ефективни химични подходи.

Първоначалният модел на структурата на ДНК на Уотсън и Крик, базиран на рентгенови дифракционни изображения на Розалинд Франклин и Морис Уилкинс. Тази структура сега се помещава в Научния музей в Южен Кенсингтън, Лондон, Великобритания.

До 70-те години на миналия век д-р Марвин Х. Карутърс, американски биохимик, е разработил далеч по-добър начин за синтез на ДНК, който все още разчита на химически средства, но е по-ефективен и стабилен от предишните подходи. И до днес повечето компании, които предлагат синтетична ДНК, използват подхода Caruthers, който се нарича метод фосфорамидит.

Съществуват някои сериозни недостатъци на съвременните методи за синтез на ДНК, най-неприятният от които е, че технологията не може да се използва за синтезиране на ДНК вериги с повтарящи се нуклеотидни последователности, защото те събират и спират процеса на изграждане. Това е сериозен проблем, тъй като често геномите на живите организми съдържат дълги, повтарящи се последователности на ДНК. Тъй като учените гледат да създадат цели геноми от нулата, за които са нужни милиони или дори милиарди бази ДНК, са необходими драстично подобрени методи за синтез на ДНК.

Миналата седмица DNA Script, компания със седалище в Париж, Франция, съобщи, че успешно са синтезирали ДНК верига от 50 нуклеотиди, използвайки изключително ензимни подходи. Това означава, че вместо да използват обичайната фосфорамидитна химия, те са използвали протеини, за да синтезират ДНК за тях без нужда от скъпи реагенти и нестабилни междинни последователности. Въпреки че 50 нуклеотида може да не звучат много, а технологията все още не е близо до възможностите на синтеза на фосфорамидит, компанията успя да синтезира само 3 нуклеотидни нишки ДНК, използвайки този подход през 2015 г.

Едно важно предимство, което ензимният синтез на ДНК притежава пред фосфорамидитната химия е, че технологията, веднъж мащабирана, вероятно ще бъде много по-евтина от фосфорамидитната химия, тъй като не използва скъпи (и вредни за околната среда) химически реагенти.

DNA Script не са сами в своите усилия да отключат нов, по-ефективен подход към синтеза на ДНК. Nuclera Nucleics, компания със седалище във Великобритания, която се гордее с д-р Джордж Чърч като научен съветник, също се конкурира за бъдещия пазарен дял.

Темпът на изследване на ензимния синтез на ДНК напредва с резки темпове в академичните среди, също - в понеделник лабораторията на Джей Кийслинг в UC-Berkeley съобщава за ензимна система за синтез на ДНК, която използва нуклеотиди, свързани с полимеразни протеини, за да разшири нивата на ДНК. Тази работа, ръководена от абитуриенти Даниел Арлоу и Себастиан Паллук, демонстрира, че новата ензимна система за синтез може да добави нова базова двойка ДНК към нарастваща верига за 10-20 години и може да го направи, без да използва токсични реагенти от фосфорамидитния подход.

Въпреки че този метод на ензимен синтез на ДНК все още не е толкова ефективен или достатъчно точен за синтеза на цял геном, е само въпрос на време геномите на организмите да могат да бъдат проектирани и изградени от нулата бързо, ефективно - или с помощта на ензими или конвенционална химия на фосфорамидит.

Консорциумът за дрожди 2.0 е непрекъснато международно усилие, ръководено от д-р Джеф Бойк, генетик в Медицински център NYU Langone, за изграждане на генома на Saccharomyces cerevisiae, или хлебна мая, напълно от нулата, използвайки химически методи. Този проект е особено амбициозен, тъй като дрождите имат над 12 милиона бази ДНК, организирани в 16 различни хромозоми. Екипи в Австралия, Китай, САЩ, Великобритания и Сингапур са отговорни за изграждането на част от генома. Първата синтетична хромозома за консорциума Yeast 2.0 беше завършена през март 2014 г. Оттогава са завършени пет допълнителни хромозоми.

Дрождите на Бейкър, които се използват за варене на бира и приготвяне на хляб, са фокусът на проекта за дрожди 2.0, който има за цел да синтезира целия си геном с помощта на химичен синтез на ДНК.

Никога не се задоволявайте, учените ще продължат да натискат обвивката на синтеза на генома. Една инициатива, която все още е в начален стадий, се нарича GP-Write. Водена отчасти от доц. Джордж Чърч и Джеф Бойк, GP-Write имат за цел да разкрият водещи биологични принципи, които ще позволят бърз, рентабилен синтез на мащабни геноми от нулата. Тъй като този консорциум расте и продължава да набира водещи учени от цял ​​свят, само въпрос на време е човек да може да бъде изграден напълно ново, вероятно с подходите на ензимния синтез на ДНК, които се въвеждат днес.

Искате ли да бъдете в течение с последните актуални новини в науката и технологиите?

Присъединете се към нас във Facebook

Следвайте ни в Twitter.

Плеснете, ако ви хареса тази статия и оставете коментар по-долу с вашите въпроси.