脱氧核糖核酸 资料来源:维基媒体(http://ow.ly/Vqi850EEuA2)
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DNA产业正在走向无细胞化

所有人类都使用DNA:每个成年人的细胞中大约有260克人类DNA,储存着数万亿份基因蓝图。但从事合成生物学工作的人使用的DNA比大多数人都多,DNA是一种基本的贸易工具。据估计在美国,全球生物工程行业每年使用约3公斤DNA。

DNA不仅是合成生物学的遗传电路和人工染色体的语言,也是基于mrna的技术的模板,如Moderna和辉瑞/BioNTech的COVID-19疫苗。然而,研究人员仍然依靠几十年前的技术来生产环状DNA质粒,这是基因研究的关键模板。质粒通常是由大肠杆菌,这是一个需要严格监控和专业知识的过程。现在,专家们担心,随着合成生物学技术的成熟和对DNA需求的增长,这将成为一个瓶颈。

“我认为,在细胞和基因治疗行业的推动下,这个市场已经受到了限制,因为这些是质粒DNA最初繁荣的主要驱动因素,”该公司首席商务官汤米·邓肯(Tommy Duncan)说接触光遗传学,一家英国DNA制造公司。

但如果,例如,携带抗原代码的DNA疫苗,很像mRNA疫苗,但在较高温度下更稳定,对DNA的需求可能会飙升。邓肯说:“我们目前在外包质粒DNA市场上看到的数量将完全被挤出市场。”

喜欢多方面在合成生物学领域,DNA生产线目前正在寻求无细胞处理方面的创新,以满足日益增长的需求。

DNA:按需和无细胞

全球对DNA的需求每年可能从3公斤增加到10公斤甚至100公斤。为了满足这类需求,DNA生产需要在两个关键领域加速:短的、专门编码的序列(称为寡聚体)的产生,以及稳定环境中序列的大规模复制(称为可表达载体)。

创建寡头的标准流程是磷酰胺合成,发明于20世纪80年代。这是一个四步骤的方法,包括以与细胞中自然定向相反的方向延伸DNA链。由于引入了固相合成,它在浸泡在试剂溶液中的固体载体上构建DNA链。但事实确实如此低效能源并且依赖于有害的试剂和溶剂。研究人员还必须花时间等待每个订单的完成和发货,这可能会延迟新产品的每次迭代。

为了解决短缺和延迟问题,一些合成生物学公司开发了用于DNA合成的台式平台。DNA脚本,一家生命科学工具公司,正在开发一种称为SYNTAX的台式DNA打印机,它可以在数小时内通过酶促合成生成定制低聚物。

Sylvain Gariel说:“我们发明这项与磷酰胺化学截然不同的新技术的原因是,我们认为,如果坚持寡聚物生产的现状,我们永远无法以非常高的质量和非常有限的成本打印任何种类的DNA结构。”,DNA脚本的联合创始人兼首席运营官。

这是一张DNA Script寡核苷酸打印过程的静态图像,在这个过程中,红帽阻止了不想要的核苷酸附着到寡核苷酸链上。

这是一张DNA Script寡核苷酸打印过程的静态图像,在这个过程中,红帽阻止了不想要的核苷酸附着到寡核苷酸链上。图片:DNA脚本

SYNTAX打印机使用引发剂DNA镶嵌树脂珠作为基础,并使用专有的末端脱氧核苷酸转移酶向低聚链中添加封端核苷酸(DNA的a、T、G和C分子)。cap可防止多余的核苷酸添加到链中。然后冲洗去除盖子,链准备接受下一个特定的核苷酸。根据低聚物的长度,打印在6到13小时内完成。

寡核苷酸通常用作PCR引物,这是聚合酶链反应(PCR)扩增小片段DNA所必需的短的单链DNA序列。寡核苷酸也可用作探针,以发现互补序列和治疗学。

但是表达由DNA编码的基因需要一个表达载体。质粒是合成生物学中使用的标准载体。但它们必须在体内生长,然后从中提纯大肠杆菌这意味着质粒必须包含细菌序列大肠杆菌这个过程依赖于大型生物反应器和营养物质来维持细胞的存活。合成生物学家对无细胞替代品感兴趣,以减少这些低效。

对于Touchlight,该公司的答案是狗骨DNA或dbDNA。这是一个无细胞表达盒,只需酶、核苷酸和生物处理袋中的一些其他材料即可扩增。

“我们的dbDNA是一个线性分子,不包含细菌序列,”邓肯说。通过在细胞外工作,“我们可以用更简单的设备以更小的占地面积生产合成DNA材料,而且我们可以非常快地完成。”

DNA Script和Touchlight等公司正开始满足合成生物学行业对快速生产关键DNA产品的需求,从研发oliogos到商业规模的线性链。但是,这些新的无细胞DNA系统如何适应该行业未来的大局呢?

快速DNA生产为下一次大流行做好准备

科学家

图像来源:Unsplash。

由于DNA是新冠病毒-19诊断和疫苗的重要组成部分,新冠病毒-19大流行一直是DNA生产需求增加的驱动力。四月底,DNA脚本宣布与Moderna建立新的合作伙伴关系,以开发一个快速制造mRNA疫苗寡核苷酸的平台,该平台由DARPA的全球核酸随需应变计划资助。

但即使在大流行之前,对个性化药物(如预防癌症的疫苗)的兴趣已经开始增加对用于研发的DNA的需求。

Gariel说,DNA Script并不期望取代磷酰胺合成作为大规模DNA生产的行业标准,而是旨在满足较小规模的快速合成的需要。Gariel说:“我们的切入点是通过研究或制造,在这方面你需要定制一些东西,通常是因为这是一个反复的[研究和开发]过程,或者因为你正在为病人开发个性化的东西。”

同时,邓肯说,在任何需要合成表达载体的情况下,Touchlight Genetics的dbDNA都可以作为质粒的替代品。该公司与南安普顿大学合作开发头颈癌疫苗,并正在与帝国理工学院合作开发COVID-19疫苗。

无细胞DNA生产策略比标准的基于细菌的方法更具可扩展性和灵活性。因此,尽管新冠病毒-19疫苗在创纪录的时间内研发并获得批准,但开发无细胞工具的科学家相信,他们的产品可以帮助人类更快地应对下一次大流行。


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6.

特里萨·马切默

Theresa Machemer是华盛顿特区的自由科学记者。她撰写生物医学研究和科学史方面的文章。

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