DNA合成走向绿色

资深撰稿人 John Cumbers

Mar 25, 2022,07:21am EDT

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合成生物学网络工作者、创始人和投资者、太空生物工程师。

DNA酶促合成代表一个利用DNA力量的非常有价值的下一步... CANVA/SCIENCE PHOTO LIBRARY

DNA（或如你的高中老师可能会说脱氧核糖核酸，）是由核苷酸组成的分子，它们被一个重复的序列中的共价键和氢键连接。像乐高积木®或字母一样，核苷酸能以一百万种方式被一起连接来形成从头开始建造自然的指令。

DNA合成即DNA的创造随细胞的分裂和复制自然的发生，每个子细胞都包含像它的母细胞一样的相同的基本基因信息。在活体生物体中发生的DNA合成往往被归类为在活体（in vivo）内，而发生在细胞外（即在一个实验室中）的DNA合成往往被指为在活体外（ in vitro 拉丁语为"在玻璃中"）。

大约40年前，生物学家首次开始在实验室环境中合成DNA。这一过程被称为"亚磷石（Phosphoramidite）合成"，由科罗拉多大学的马尔文卡鲁瑟尔斯及其团队于1981年开始开发。他们的工作基于核苷酸的化学操作，并被证明在识别和复制短DNA序列方中非常成功。如今，我们在关键的科学和诊断应用如PCR引物中用这些短链（30-120个核苷酸）。亚磷石合成已成为该行业的支柱并被退斯特生物科学公司（Twist Bioscience）、金科高生物工厂（Ginkgo Bioworks）和基因文本公司（Genscript）等公司广泛应用于商业DNA合成。

在过去的7-8年中，一个越发增加的关注的量已经被放在"酶促"DNA合成上，这避开使用外部化学因子并利用天然酶即被一个活细胞用于催化DNA合成反应的相同分子机制。目前，大多数酶促DNA合成依赖于使用末端脱氧核苷酸转移酶（TdT），这是一种负责将"额外的"核苷酸引入基因剪接过程2的酶。酶促合成的所谓益处包括来避免使用刺激性化学物质（这往往会导致有毒废物）以及一个越发增加的来产生越来越长的DNA链的能力...... 这反过来不仅造成一种更"绿色"的DNA合成形式，而且还为更长的DNA链（例如，疫苗、治疗方法和数据存储）一些令人难以置信的强大新用途。

五家公司在DNA酶促合成领域处于领先地位：分子组装公司（Molecular Assemblies）、DNA文本公司（DNA Script）、比特生物公司（Bit Bio）、埃沃涅提克斯公司（Evonetix）和安萨生物指数公司（Ansa Biotechnologies）。这些公司中的每家都提供他们自己品牌的酶DNA合成工具，这些工具往往属于两大类业务解决方案：桌面DNA合成（经由独立复制机完成）或DNA合成服务（由公司代表其客户完成）。

特别有趣的是分子组装公司（Molecular Assemblies），由行业专家麦克卡姆达尔（Mike Kamdar）和比尔艾弗咔维奇（Bill Efcavitch）博士于2014年创立。2020年，分子组装公司与由DNA资深人士约翰尼克尔思（John Nicols）领导的编码公司（Codexis）合作，作为一种来提高其上市速度和筹集新资金的手段。艾弗咔维奇相信用这些综合资源，"我们专有的加工中产品富集，这是一项只能通过酶促合成获得的特征，这意味着我们能消除后合成纯化并减少向我们的客户的周转时间"。

分子组装公司最近宣布了一轮新的2600万美元的投资（由安捷伦等领先的DNA公司锚定）。按照分子组装公司首席执行官麦克卡姆达尔，使用资金将紧跟着公司的"全酶合成"（FES）平台商业化，该平台使用水性无毒试剂并且要求最小的后合成纯化和处理。正如麦克卡姆达尔所说，"使用我们的FES技术来产生长、纯净、准确的DNA的能力能加速许多应用，例如CRISPR，下一代测序以及用于众多合成生物学应用的基因组装"。

撇开投资者和公司不谈，我们普通公众将从这些酶DNA合成中的进步中更大的受益。更长、更成本效益的DNA链（多达1000-1500个核苷酸）的"圣杯"能被用于在更短的时间内生产更好的疫苗。CRISPR技术中的进步提供高度精确的基因编辑工具，这能被用于改变植物、细菌和动物模型中的基因。这种能力能证明在识别和实施癌症、阿尔茨海默氏症等疾病的治疗中高度有效。最后，DNA（作为数据丰富分子）能潜在的被用于以思维惊人的量（EB级）编码巨大量信息为密集的寡核苷酸（oligonucleotides）阵列。美国政府（例如ARPA或"高级研究计划局"）和消费者公司（例如Netflix或Google）都与分子生物学家合作，作为一种来调查DNA链怎样被用作耐用、具有成本效益的存储介质的手段。

总之，DNA酶促合成代表一个利用DNA复制的力量以及我们的将其用于开发尖端生物技术解决方案的能力的巨大价值的下一步。要了解有关DNA合成以及使用DNA合成来使地球变得更美好的公司的更多信息，请访问我们的"用生物学构建"。

 感谢拉里吴普顿（Larry Upton）在本文中的其他研究和报告。我是生物合成贝达公司（SynBioBeta）和我所写的一些公司是生物合成贝达公司会议（SynBioBeta Conference）和我们的每周消化（ weekly digest）的创始人，.

援引

1 Sandahl, A.F., Nguyen, T.J.D., Hansen, R.A. et al. On-demand synthesis of phosphoramidites. Nat Commun 12, 2760 (2021).

NATUREOn-demand synthesis of phosphoramidites - Nature Communications

2 Eisenstein, M. Enzymatic DNA synthesis enters new phase. Nat Biotechnol 38, 1113–1115 (2020).

NATUREEnzymatic DNA synthesis enters new phase - Nature Biotechnology

3 Writing in the book of life: Applications in biology and biomedicine. SynBioBeta (2018)

BUILTWITHBIOLOGYMolecular Assemblies: Rewriting synthetic biology with enzymatic DNA synthesis - Built WIth Biology

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我（John Cumbers）是生物合成贝达公司（SynBioBeta）的创始人兼首席执行官，生物合成贝达公司是创新者、投资者、工程师和思想家的领先社区，他们热衷于用合成生物学来建立一个..

https://www.forbes.com/sites/johncumbers/2022/03/25/dna-synthesis-goes-green/?sh=72f2ec26532c