Eine fortlaufende Revolution in der DNA-Synthese könnte helfen, Genome von Grund auf neu aufzubauen

DNA Script, ein französisches Unternehmen, hat einen Durchbruch in der enzymatischen DNA-Synthese angekündigt, eine Technik, die Wissenschaftlern eines Tages helfen könnte, Genome von Grund auf neu aufzubauen - obwohl weitere Forschung erforderlich ist.

DNA ist die Blaupause, die die brillante Komplexität und Kontinuität des Lebens gewährleistet. Dieses chemische Polymer ist in jeder unserer Billionen Zellen vorhanden, und in einigen Fällen kann eine einzelne Änderung eines DNA-Buchstabens (A, T, C und G) schwerwiegende genetische Erkrankungen verursachen, einschließlich Mukoviszidose und Sichelzellenanämie .

Dr. Alexander Todd, ein britischer Biochemiker, war einer der ersten Wissenschaftler, der Methoden zur chemischen Synthese von DNA-Polymeren entwickelte. Todd erhielt 1957 den Nobelpreis für Chemie für seine Arbeiten zur Nukleotidchemie und DNA-Synthese, die größtenteils auf den Fersen von Watsons und Cricks DNA-Struktur von 1953 erfolgten. Todd entwickelte eine Methode zur Synthese von DNA namens H-Phosphonat-Synthese, die schnell durch effizientere chemische Ansätze ersetzt wurde.

Watson und Cricks ursprüngliches Modell der DNA-Struktur, basierend auf Röntgenbeugungsbildern von Rosalind Franklin und Maurice Wilkins. Diese Struktur befindet sich jetzt im Science Museum in South Kensington, London, UK.

In den 1970er Jahren hatte Dr. Marvin H. Caruthers, ein amerikanischer Biochemiker, einen weitaus besseren Weg entwickelt, um DNA zu synthetisieren, die immer noch auf chemischen Mitteln beruhte, aber effizienter und stabiler war als frühere Ansätze. Bis heute verwenden die meisten Unternehmen, die synthetische DNA anbieten, den Caruthers-Ansatz, der als Phosphoramidit-Methode bezeichnet wird.

Moderne DNA-Synthesemethoden weisen einige schwerwiegende Nachteile auf, von denen die ärgerlichste darin besteht, dass die Technologie nicht zur Synthese von DNA-Strängen mit sich wiederholenden Nukleotidsequenzen verwendet werden kann, da sie den Bauprozess bündeln und stoppen. Dies ist ein ernstes Problem, da die Genome lebender Organismen häufig lange, sich wiederholende DNA-Sequenzen enthalten. Da Wissenschaftler versuchen, ganze Genome von Grund auf neu zu erstellen, für die Millionen oder sogar Milliarden DNA-Basen erforderlich sind, sind drastisch verbesserte Methoden für die DNA-Synthese erforderlich.

Letzte Woche berichtete DNA Script, ein Unternehmen mit Sitz in Paris, Frankreich, dass es erfolgreich einen DNA-Strang mit einer Länge von 50 Nukleotiden unter Verwendung ausschließlich enzymatischer Ansätze synthetisiert hatte. Dies bedeutet, dass sie anstelle der herkömmlichen Phosphoramidit-Chemie Proteine ​​verwendeten, um die DNA für sie zu synthetisieren, ohne dass teure Reagenzien und instabile Zwischensequenzen erforderlich waren. Während 50 Nukleotide nicht viel klingen und die Technologie den Möglichkeiten der Phosphoramiditsynthese noch lange nicht nahe kommt, konnte das Unternehmen 2015 nur einen DNA-Strang mit 3 Nukleotiden mithilfe dieses Ansatzes synthetisieren.

Ein wichtiger Vorteil der enzymatischen DNA-Synthese gegenüber der Phosphoramidit-Chemie besteht darin, dass die Technologie nach ihrer Skalierung wahrscheinlich viel billiger ist als die Phosphoramidit-Chemie, da keine teuren (und umweltschädlichen) chemischen Reagenzien verwendet werden.

DNA Script ist nicht allein in seinen Bemühungen, einen neuen, effizienteren Ansatz für die DNA-Synthese zu entwickeln. Nuclera Nucleics, ein in Großbritannien ansässiges Unternehmen mit Dr. George Church als wissenschaftlichem Berater, konkurriert ebenfalls um zukünftige Marktanteile.

Das Tempo der Forschung zur enzymatischen DNA-Synthese schreitet auch im akademischen Bereich rasant voran. Am Montag berichtete Jay Keaslings Labor an der UC-Berkeley über ein enzymatisches DNA-Synthesesystem, das an Polymerase-Proteine ​​gebundene Nukleotide verwendet, um DNA-Stränge zu verlängern. Diese Arbeit unter der Leitung der Doktoranden Daniel Arlow und Sebastian Palluk zeigt, dass das neue enzymatische Synthesesystem einem wachsenden Strang in 10 bis 20 Sekunden ein neues Basenpaar DNA hinzufügen kann, ohne toxische Reagenzien aus dem Phosphoramidit-Ansatz zu verwenden.

Obwohl diese enzymatische DNA-Synthesemethode für die Synthese des gesamten Genoms noch lange nicht so effizient oder genau genug ist, ist es nur eine Frage der Zeit, bis die Genome von Organismen schnell und effizient von Grund auf neu entworfen und aufgebaut werden können - entweder unter Verwendung von Enzymen oder konventionelle Phosphoramidit-Chemie.

Das Yeast 2.0-Konsortium ist eine fortlaufende internationale Initiative von Dr. Jef Boeke, einem Genetiker am NYU Langone Medical Center, um das Genom von Saccharomyces cerevisiae oder Bäckerhefe mit chemischen Methoden vollständig von Grund auf neu aufzubauen. Dieses Projekt ist besonders ehrgeizig, da Hefen über 12 Millionen DNA-Basen auf 16 verschiedenen Chromosomen aufweisen. Teams in Australien, China, den USA, Großbritannien und Singapur sind jeweils für den Aufbau eines Teils des Genoms verantwortlich. Das erste synthetische Chromosom für das Hefe 2.0-Konsortium wurde im März 2014 fertiggestellt. Seitdem wurden fünf weitere Chromosomen fertiggestellt.

Bäckerhefe, aus der Bier gebraut und Brot hergestellt wird, steht im Mittelpunkt des Hefe 2.0-Projekts, das darauf abzielt, sein gesamtes Genom mithilfe der chemischen DNA-Synthese zu synthetisieren.

Wissenschaftler geben sich niemals damit zufrieden, sich auszuruhen, und werden weiterhin die Grenzen der Genomsynthese erweitern. Eine Initiative, die noch in den Kinderschuhen steckt, heißt GP-Write. Teilweise geführt von Dr. George Church und Jef Boeke, GP-Write, wollen biologische Leitprinzipien aufdecken, die die schnelle und kostengünstige Synthese von Genomen im großen Maßstab von Grund auf ermöglichen. Da dieses Konsortium wächst und weiterhin führende Wissenschaftler aus der ganzen Welt rekrutiert, ist es nur eine Frage der Zeit, bis ein menschliches Genom vollständig de novo aufgebaut werden kann, möglicherweise mit den heute bahnbrechenden Ansätzen der enzymatischen DNA-Synthese.

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