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，这些DNA储存了数万亿份基因蓝图的副本。但从事合成生物学工作的人们比大多数人使用的更多——dna是这一行业的基本工具。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，这一过程需要严密的监控和专业知识。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。

“我认为在这个由细胞和基因治疗行业驱动的市场中已经存在一个限制因素，因为它们是质粒DNA最初繁荣的主要驱动因素，”托米·邓肯说Touchlight遗传学这是一家总部位于英国的DNA制造公司。

但如果，举个例子，携带抗原代码的DNA疫苗，很像mRNA疫苗，但确实是在更高的温度下更稳定，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。”

就像许多方面在合成生物学领域，DNA生产流水线正在寻求无细胞加工的创新，以满足日益增长的需求。

DNA:随需应变和细胞自由

全球对DNA的需求可能从每年3公斤上升到10公斤甚至100公斤。为了满足这种需求，DNA生产将需要在两个关键领域加速:短的、特殊编码的序列的创建，称为oligos，以及序列在稳定环境下的大规模复制，称为表达载体。

创建寡聚体的标准流程是phosphoramidite合成该发明于20世纪80年代。这是一个四个步骤的方法，涉及到DNA链向相反的方向延伸，而不是在细胞中自然指向的方向。该方法在引入固相合成它在浸在试剂溶液中的固体支架上构建DNA链。但它是能源效率低下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DNA合成的台式平台。DNA脚本这家生命科学工具公司正在开发一种名为SYNTAX的台式DNA打印机，它可以在几小时内通过酶的合成创造出定制的oligos。

“我们发明了这种新技术的原因非常不同于phosphoramidite化学是我们觉得是不会能够打印任何类型的DNA结构(速度)与一个非常高的质量和成本非常有限,坚持低聚糖生产的现状,“DNA Script联合创始人兼首席运营官西尔万·加里尔说。

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打印机使用起始体DNA镶嵌树脂珠作为基底和专有的末端脱氧核苷酸转移酶，将盖帽核苷酸(DNA的a、T、G和C分子)添加到寡链上。帽状结构可以防止不需要的核苷酸被添加到链上。然后冲洗去除盖子，链就可以接受下一个特定的核苷酸了。根据寡糖的长度，打印需要6到13个小时。

Oligos常被用作PCR引物，它是聚合酶链反应(PCR)扩增小片段DNA所必需的短单链DNA序列。Oligos也可以作为探针来寻找互补序列和插入疗法。

但是表达由DNA编码的基因需要表达载体。质粒是合成生物学中使用的标准载体。但它们必须在里面生长，然后从里面提纯大肠杆菌。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。

Touchlight给出的答案是狗骨DNA (dbDNA)。这是一个无细胞表达盒，可以用酶、核苷酸和生物处理袋中的一些其他材料放大。

邓肯说:“我们的dbDNA是一种线性分子，不包含细菌序列。”通过在细胞外工作，“我们可以用更小的足迹、更简单的设备生产合成DNA材料，而且我们可以非常迅速地做到这一点。”

像DNA Script和Touchlight这样的公司开始满足合成生物学行业对关键DNA产品快速生产的需求，从研发用的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的未来呢?

快速的DNA生产为下一次大流行做准备

图片来源:Unsplash。

由于DNA是COVID-19诊断和疫苗的重要组成部分，COVID-19大流行一直是DNA生产需求增加的驱动力。四月底，DNA脚本宣布美国国防部高级研究计划局(DARPA)的核酸按需全球计划(Nucleic Acids On-Demand Worldwide program)资助了该公司与Moderna的新合作伙伴关系，以开发一个快速制造mRNA疫苗寡聚体的平台。

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有可扩展性和灵活性。因此，尽管COVID-19疫苗在创纪录的时间内开发和批准，开发无细胞工具的科学家们相信，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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