Продолжающаяся революция в синтезе ДНК может помочь построить геномы с нуля

DNA Script, французская компания, объявила о прорыве в ферментативном синтезе ДНК, методике, которая может однажды помочь ученым создавать геномы с нуля - хотя необходимы дальнейшие исследования.

ДНК - это план, который обеспечивает блестящую сложность и непрерывность жизни. Этот химический полимер присутствует в каждом из наших триллионов клеток, и, в некоторых случаях, одно изменение буквы ДНК (A, T, C и G) может вызвать серьезные генетические заболевания, включая муковисцидоз и серповидноклеточную анемию. ,

Доктор Александр Тодд, британский биохимик, был одним из первых ученых, разработавших методы химического синтеза полимеров ДНК. Тодд получил Нобелевскую премию по химии 1957 года за работу по химии нуклеотидов и синтезу ДНК, большая часть которой произошла по пятам Уотсона и структуры Крика 1953 года. Тодд разработал метод синтеза ДНК, названный синтезом H-фосфоната, который был быстро вытеснен более эффективными химическими подходами.

Оригинальная модель структуры ДНК Уотсона и Крика, основанная на рентгеновских изображениях Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса. Эта структура в настоящее время находится в Музее науки в Южном Кенсингтоне, Лондон, Великобритания.

К 1970-м годам доктор Марвин Х. Карутерс, американский биохимик, разработал гораздо лучший способ синтеза ДНК, который все еще основывался на химических средствах, но был более эффективным и стабильным, чем предыдущие подходы. На сегодняшний день большинство компаний, предлагающих синтетическую ДНК, используют подход Карутерса, который называется методом фосфорамидита.

Существуют некоторые серьезные недостатки современных методов синтеза ДНК, наиболее неприятным из которых является то, что эта технология не может быть использована для синтеза цепей ДНК с повторяющимися нуклеотидными последовательностями, поскольку они объединяются и останавливают процесс сборки. Это серьезная проблема, потому что геномы живых организмов часто содержат длинные повторяющиеся последовательности ДНК. Поскольку ученые стремятся создать целые геномы с нуля, которые требуют миллионов или даже миллиардов оснований ДНК, требуются радикально улучшенные методы синтеза ДНК.

На прошлой неделе компания DNA Script, базирующаяся в Париже, Франция, сообщила, что они успешно синтезировали нить ДНК длиной 50 нуклеотидов с использованием исключительно ферментативных подходов. Это означает, что вместо того, чтобы использовать традиционную химию фосфорамидита, они использовали белки для синтеза ДНК для них без необходимости в дорогих реагентах и ​​нестабильных промежуточных последовательностях. Хотя 50 нуклеотидов могут показаться не такими уж большими, а технология все еще далеко не похожа на возможности синтеза фосфорамидита, компания смогла синтезировать только 3 нуклеотидных цепи ДНК с использованием этого подхода в 2015 году.

Одним из важных преимуществ ферментативного синтеза ДНК по сравнению с химией фосфорамидита является то, что однажды масштабированная технология, вероятно, будет намного дешевле, чем химия фосфорамидита, поскольку в ней не используются дорогостоящие (и наносящие ущерб окружающей среде) химические реагенты.

Сценарии ДНК не одиноки в своих попытках открыть новый, более эффективный подход к синтезу ДНК. Nuclera Nucleics, компания, базирующаяся в Великобритании и имеющая доктора Джорджа Черча в качестве научного консультанта, также борется за будущую долю рынка.

Темпы исследований по ферментативному синтезу ДНК в академических кругах продвигаются с головокружительной скоростью, также - в понедельник лаборатория Джея Кислинга в Калифорнийском университете в Беркли сообщила о системе ферментативного синтеза ДНК, которая использует нуклеотиды, связанные с полимеразными белками, для удлинения цепей ДНК. Эта работа, возглавляемая аспирантами Дэниелом Арлоу и Себастьяном Паллуком, демонстрирует, что новая система ферментативного синтеза может добавить новую пару оснований ДНК к растущей цепи в течение 10–20-х годов и может делать это без использования токсичных реагентов из подхода фосфорамидита.

Хотя этот метод ферментативного синтеза ДНК еще далеко не настолько эффективен или точен для синтеза всего генома, это лишь вопрос времени, когда геномы организмов могут быть спроектированы и построены с нуля быстрым и эффективным способом - либо с использованием ферментов, либо обычная химия фосфорамидитов.

Консорциум «Дрожжи 2.0» - это постоянная международная инициатива, которую возглавляет д-р Джеф Боке, генетик из медицинского центра Нью-Йоркского университета в Лангоне, по созданию генома Saccharomyces cerevisiae, или пекарских дрожжей, полностью с нуля с использованием химических методов. Этот проект особенно амбициозен, потому что дрожжи имеют более 12 миллионов оснований ДНК, организованных в 16 различных хромосомах. Команды в Австралии, Китае, США, Великобритании и Сингапуре несут ответственность за создание части генома. Первая синтетическая хромосома для консорциума Yeast 2.0 была завершена в марте 2014 года. С тех пор было завершено пять дополнительных хромосом.

Пекарские дрожжи, которые используются для варки пива и приготовления хлеба, являются фокусом проекта Yeast 2.0, целью которого является синтез всего генома с использованием химического синтеза ДНК.

Никогда не останавливаясь на достигнутом, ученые продолжат расширять возможности синтеза генома. Одна инициатива, которая все еще находится в зачаточном состоянии, называется GP-Write. Частично под руководством доктора. Джордж Черч и Джеф Боке, GP-Write, стремятся раскрыть руководящие биологические принципы, которые позволят быстро и экономически эффективно синтезировать крупномасштабные геномы с нуля. Поскольку этот консорциум растет и продолжает набирать ведущих ученых со всего мира, только вопрос времени, когда человеческий геном может быть полностью создан de novo, возможно, будет достигнут с помощью методов ферментативного синтеза ДНК, которые сегодня используются впервые.

Хотите быть в курсе последних новостей в области науки и техники?

Присоединиться к нам на Facebook

Следуйте за нами на Twitter.

Хлопайте, если вам понравилась эта статья и оставьте комментарий ниже с вашими вопросами.