我科学家研发出DNA合成纠错系统

2020-03-12 15:27:05 来源: 科技日报 作者: 王健高 刘佳

科技日报记者 王健高 通讯员 刘佳

3月12日,中国科学院中国科学院青岛生物能源与过程研究所(以下简称“青岛能源所”)传来喜讯:由该所科研团队开发出了高耐久低成本的DNA合成纠错系统成功解决限制DNA合成质量、通量与成本的关键问题之一的DNA纠错环节的效率和经济性科学难题。

该工作成果发表于《美国化学学会合成生物学杂志》(ACS Synthetic Biology)。

DNA的从头合成是合成生物技术的基础平台之一。大规模DNA合成过程中难以避免地产生错误。该所单细胞中心张佳博士解释说,就像我们写字一样,DNA合成是一个容易出错的过程。寡核苷酸的化学合成、DNA聚合酶的延伸、基于寡核苷酸的基因片段组装等大片段DNA合成的每一步骤均可能引入错误碱基。这些“错误”如果没有及时“纠正”,它们将随着核酸链的复制而传播和扩散,导致DNA合成产物中一般只有5%-60%具有完全正确的序列。因此,DNA纠错环节的效率和经济性已经成为限制DNA合成质量、通量与成本的关键问题之一。

与其它的酶纠错系统相比,DNA错配修复蛋白(MutS)的纠错效率较高,而且使用相对简便。但在实际应用中,MutS酶活的持久性较差,在7天左右即开始显著下降,导致在一个完整的基因组合成流程中需要多次表达与纯化。这不仅阻碍了纠错环节的通量化和规模化,也限制了MutS纠错系统的工业化应用。

针对这一瓶颈问题,张佳带领的攻关小组,首先,提出了基于搭建人工二硫键来提高酶活持久性的思路,根据MutS的X射线晶体结构,理性设计了10组可能显著提高蛋白质稳定性的二硫键,并从实验中筛选出最佳的组合。其次,通过与麦芽糖结合蛋白 (MBP)的融合表达,来提高MutS蛋白的异源表达量。最后,通过储存条件的优化,将MutS蛋白与纤维素结合挂柱并保存在四摄氏度,进一步提高了MutS的使用寿命。最终构建的名为iMICC的DNA合成纠错系统,在保证纠错性能的前提下,能够保持峰值酶活长达63天,因此不再需要频繁地重复制备新鲜的MutS。同时,成品挂柱的储存方式还大大提高了使用的便捷性。

张佳表示,针对在溶液中合成Cas9同源基因和在芯片上合成木糖还原酶同源基因等的验证表明,iMICC能够将基因合成产物的错误率分别降低到0.64 / Kb和0.41 / Kb,组装成的正确片段占比72.1%和86.4%,而成本仅为$0.37/反应。因此,iMICC能够将基因合成过程中的碱基准确性提高37.6倍,同时大幅度提高了使用寿命。与常用的商品化纠错酶CorrectASE相比,iMICC的纠错性能高出6.6倍,却便宜了26.7倍。

iMICC为建立一个更为简便、高效、稳定和低成本的工业化纠错流程奠定了基础。张佳介绍,这也是首次证明了二硫键的理性设计与搭建可以提高酶活的持久性,该思路为包括DNA纠错酶在内的诸多核酸工具酶的提质改性提供了有益启发。

该论文的第一作者是张佳,该工作由该所单细胞中心徐健研究员主持完成,得到了该所姚礼山研究员团队、赵广研究员团队和联川生物技术公司高晓连教授、李璐璐博士等的帮助。

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责任编辑:李俊霞

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