导 读

基因合成是当前合成生物学的主要内容，通过基因合成，可以获得自然界中不存在的基因，为人类改造生物开辟了一个全新的方向，在可预计的将来，基因合成将在生命科学领域发挥巨大作用。但是，目前基因合成速度仍无法完全迎合生物学发展的需求。日前，《Nature Biotechnology》发表的一篇新文献指出，一项新的基因合成技术竟然将新基因合成时间缩短至一天！这无疑解决了科学家们的燃眉之急！

基因合成的大难题—快速精确控制聚合酶

完整的生物细胞可提供基因合成所需的环境、底物、酶等条件，而体外基因合成的条件就必须人工创造，其中最大的难点是找寻合适的DNA聚合酶。传统的基因合成多用于抗体基因的创造，多使用末端脱氧核苷酸转移酶（TdT），它可在不遵循DNA模板链的状态下将新核苷酸添加到寡核苷酸链上，从而编写了数百万个抗体基因的新变种，而免疫系统就可以通过这些变种来靶向入侵者。但天然的TdT只能随机添加新脱氧核苷酸，研究人员无法精确地控制合成过程。

TdT作用下的DNA序列合成过程

随后，有科学家在DNA的四个碱基中添加化学基团，生成“终止片段”，能顺利阻止TdT的进一步作用，随后洗净后并切断封闭组，再进行下一次延伸。但是，TdT与“终止片段”的作用往往无法一蹴而就，每个基因合成系统的一个停止-重启过程需要一个小时左右，大大影响了基因合成效率，而且降低了实用性。因此，如何快速精确地控制TdT的作用成为大难题。

新技术另辟蹊径—让“终止”变得可逆

我们知道，DNA聚合酶将第一个脱氧核苷酸加到引物RNA的3'-OH末端复制是前导链DNA合成的关键步骤，既然在基因合成过程中TdT与DNA源性的“终止片段”作用效果不甚理想，那么TdT与RNA源性的引物可否产生聚合DNA外的效应呢？该文章的研究人员们设计出了TdT-dNTP缀合物，其掺入到引物时可主动与3'末端共价连接，这就阻止了其他TdT-dNTP缀合物与引物的结合，当需要进一步延伸时可切割接头，将引物的3'末端去保护，由单一核苷酸加入延伸，这就使“终止”的过程从此变得可逆，研究人员可根据需求开启或结束TdT的作用。

TdT-dNTP缀合物终止基因延伸

TdT-dNTP在10-20s内实现DNA分子单一核苷酸延伸

研究人员已经证明活性TdT-dNTP缀合物可通过两种不同的连接子将核苷三磷酸连接到聚合酶表面上的各个点，他们发现TdT-dNTP缀合物可在10-20s内实现DNA分子的单一核苷酸延伸，因此这种延伸和去保护反应的循环可以快速准确得迭代写出一个定义序列，合成一个完整的基因最快只需要一天！这就解决了基因合成的燃眉之急。

但是，该技术并非完美无缺，其准确率为98%，虽然也极高，但仍低于传统靠“终止片段”控制TdT作用的合成方法—其为99%，而且当编辑大型基因数据库时，其准确率需要提高至99.9%，因此，该技术仍需进一步的研究和提高。

参考文献：

1.De novo DNA synthesis using polymerase- nucleotide conjugates

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