研究人員開發出高耐久低成本的DNA合成糾錯系統

2020-11-27 生物谷



DNA的從頭合成是合成生物技術的基礎平臺之一。但是，由於大規模DNA合成過程中難以避免地產生錯誤，DNA糾錯環節的效率和經濟性已經成為限制DNA合成質量、通量與成本的關鍵問題之一。針對此問題，中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心研發出高耐久低成本的DNA合成糾錯系統，大幅度提高了DNA糾錯環節的效率和經濟性。該工作發表於ACS Synthetic Biology。

就像我們寫字一樣，DNA合成是一個容易出錯的過程。寡核苷酸的化學合成、DNA聚合酶的延伸、基於寡核苷酸的基因片段組裝等大片段DNA合成的每一步驟均可能引入錯誤鹼基。這些「錯誤」如果沒有及時「糾正」，它們將隨著核酸鏈的複製而傳播和擴散，導致DNA合成產物中一般只有5%-60%具有完全正確的序列。因此，DNA糾錯環節的效率和經濟性已經成為限制DNA合成質量、通量與成本的關鍵問題之一。

與其它的酶糾錯系統相比，DNA錯配修復蛋白（MutS）的糾錯效率較高，而且使用相對簡便。但在實際應用中，MutS酶活的持久性較差，在7天左右即開始顯著下降，導致在一個完整的基因組合成流程中需要多次表達與純化。這不僅阻礙了糾錯環節的通量化和規模化，也限制了MutS糾錯系統的工業化應用。

針對這一問題，單細胞中心博士張佳帶領的攻關小組，首先，提出了基於搭建人工二硫鍵來提高酶活持久性的思路，根據MutS的X射線晶體結構，理性設計了10組可能顯著提高蛋白質穩定性的二硫鍵，並從實驗中篩選出最佳的組合。其次，通過與麥芽糖結合蛋白 (MBP)的融合表達，來提高MutS蛋白的異源表達量。最後，通過儲存條件的優化，將MutS蛋白與纖維素結合掛柱並保存在四攝氏度，進一步提高了MutS的使用壽命。最終構建的名為iMICC的DNA合成糾錯系統，在保證糾錯性能的前提下，能夠保持峰值酶活長達63天，因此不再需要頻繁地重複製備新鮮的MutS。同時，成品掛柱的儲存方式還大大提高了使用的便捷性。

針對在溶液中合成Cas9同源基因和在晶片上合成木糖還原酶同源基因等的驗證表明，iMICC能夠將基因合成產物的錯誤率分別降低到0.64 / Kb和0.41 / Kb，組裝成的正確片段佔比72.1％和86.4％，而成本僅為$0.37/反應。因此，iMICC能夠將基因合成過程中的鹼基準確性提高37.6倍，同時大幅度提高了使用壽命。與常用的商品化糾錯酶CorrectASE相比，iMICC的糾錯性能高出6.6倍，卻便宜了26.7倍。

因此，iMICC為建立一個更為簡便、高效、穩定和低成本的工業化糾錯流程奠定了基礎。此外，這也是首次證明了二硫鍵的理性設計與搭建可以提高酶活的持久性，該思路為包括DNA糾錯酶在內的諸多核酸工具酶的提質改性提供了有益啟發。(

生物谷

Bioon.com）

相關焦點

  • 高耐久低成本DNA合成糾錯系統研製成功—新聞—科學網
    但是，由於大規模DNA合成過程中難以避免地產生錯誤，DNA糾錯環節的效率和經濟性已經成為限制DNA合成質量、通量與成本的關鍵問題之一。針對此瓶頸，中國科學院青島生物能源與過程研究所單細胞中心研發出高耐久低成本的DNA合成糾錯系統，大幅度提高了DNA糾錯環節的效率和經濟性。該研究成果發表於《美國化學會合成生物學》。
  • 研究人員開發新一代低成本超級電容器薄膜電極
    （圖源：阿肯色大學小石城分校官網） 蓋世汽車訊 據外媒報導，阿肯色大學小石城分校（University of Arkansas at Little Rock ）研究人員開發出一種低成本工藝
  • 研究人員開發出低成本、可攜式腦成像掃描儀
    當需要評估頭部創傷、檢測腦癌以及其他腦部掃描時，磁共振成像（MRI）是最好的選擇，但MRI掃描儀成本高，需要特殊的基礎設施，而且不能移動。現在，麻薩諸塞州總醫院（MGH）的研究人員領導的團隊開發出一種低成本、緊湊、可攜式和低功耗的頭部MRI掃描儀，它可以安裝在救護車上、被推到病人的房間裡，或者放在世界各地的小型診所或醫生辦公室裡。
  • 研究人員開發了新的量子糾錯碼
    麻省理工學院的一組研究人員他們在6月份的美國計算機協會計算機理論研討會上發表的論文中，麻省理工學院，谷歌，雪梨大學和康奈爾大學的研究人員提出了一種新的代碼，該代碼可以糾正幾乎是特定比例的錯誤。計算機的量子比特，而不僅僅是它們的平方根。對於尺寸合理的量子計算機，該分數可以任意大-儘管它越大，計算機所需的量子位就越多。
  • 密西根大學研究人員與UDC合作開發低成本柔性OLED照明系統
    密西根大學的研究人員正在與OLED製造商Universal Display Corp.合作.(UDC)開發一種低成本的卷對卷(R2R)工藝，製造用於普通照明的柔性有機發光二極體(OLED)器件。研究人員將展示可靠的封裝
  • 研究人員設計了高效、低成本的夜間發電系統
    離網、低成本的模塊化能源系統，可利用輻射冷卻效應在夜間發電。美國「物理學組織」網站8月13日報導，《光學快報》發文稱，美國史丹福大學和以色列理工大學的研究人員設計了一款離網、低成本的模塊化能源系統，可以有效地在夜晚產生電能。該系統與商用技術兼容，有望滿足夜間城區和發展中國家的照明需求。太陽能是一種綠色能源，但它的利用度與太陽光的分布密切相關。
  • 研究人員設計了高效、低成本的夜間發電系統
    離網、低成本的模塊化能源系統，可利用輻射冷卻效應在夜間發電。美國「物理學組織」網站8月13日報導，《光學快報》發文稱，美國史丹福大學和以色列理工大學的研究人員設計了一款離網、低成本的模塊化能源系統，可以有效地在夜晚產生電能。
  • 研究人員開發出新型Cas9核酸酶 提高基因編輯安全性
    利用這一技術開發的基因療法在醫療健康領域中具有巨大的應用前景。CRISPR/Cas9技術能夠對基因組在指定位點進行基因編輯，但是對這項技術的一個常見的憂慮是擔心基因編輯會在不該出現的地方發生。日前，英國巴斯大學(University of Bath)和卡迪夫大學(Cardiff University)的研究人員利用合成生物學(synthetic biology)技術開發出一種新型Cas9核酸酶。
  • 壽命制約QLC的發展,專訪糾錯方案服務商,如何破局!
    近日，威騰電子更是推出新款企業級SSD UltraStar DCSS540，其壽命和可靠性更是被外媒贊為「坦克級」，耐久度最高可達10DWPD。 高度擴展性、低功耗的FAID LDPC糾錯為高密度NAND快閃記憶體保駕護航 存儲技術的發展離不開糾錯技術，Shiva Planjery表示，隨著存儲單元所容納的Bit數量會越來越多，對算法的糾錯能力要求也會越來越高，通過高效的糾錯方案可以在一定程度上擴展NAND快閃記憶體的耐用性。
  • 開發出單鏈DNA/RNA摺紙術
    如今，在一項新的研究中，來自美國亞利桑那州立大學和哈佛大學的研究人員在DNA納米技術上取得一項重大的新進展。他們開發出的一種被稱作單鏈摺紙術（single-stranded origami, ssOrigami）的新策略使用長而細的麵條狀的單鏈DNA或RNA，它們能夠自我摺疊成迄今為止最大最複雜的而且沒有拓撲結的結構。
  • 研究人員開發出彩色太陽能光伏板
    太陽能光伏發電是一種低成本的可再生能源技術，應用範圍很廣，從太陽能路燈到太陽能屋頂，很多已經將光伏電池與應用場景融合成一體，不過光伏電池一成不變的外觀限制了其在建築外立面等對美觀度要求較高的場景中的應用。
  • 研究人員開發出一種人工葉綠體
    經過幾十億年的時間，微生物和植物進化出了我們所知道的光合作用的非凡過程。光合作用將太陽的能量轉化為化學能，從而為地球上的所有生命提供食物和氧氣。構成分子機器的細胞室--葉綠體，可能是地球上最重要的自然引擎。許多科學家認為人工重建和控制光合作用過程 是 "我們這個時代的阿波羅計劃"。
  • 出國看病資訊:研究人員開發了低成本、可攜式大腦成像掃描儀
    現在，由麻省總醫院(MGH)的研究人員領導的團隊開發了一種低成本、緊湊、可攜式且低功耗的「僅頭部」 MRI掃描儀，該掃描儀可以安裝在救護車中，推入病人房間裡或安裝在世界各地的小診所或醫生辦公室裡。出國看病機構盛諾一家與麻省總醫院保持著多年的合作關係，幫助了很多想出國看病的病人順利轉診至這家醫院。
  • 將整本《綠野仙蹤》存入納米級DNA中，高效準確，讀取無壓力
    不過，雖然微軟沒公布200MB數據合成的成本，那會兒每個鹼基的價格通常在0.7元左右。而200MB數據的保存，用了大約15億個鹼基……如此昂貴的DNA合成價格，卻只能保存200MB的數據，相比之下，幾百元的硬碟它不香嗎？不過，成本起碼會隨技術發展下降，最關鍵的問題，還是DNA合成的錯誤率高。
  • 開發出一種新的DNA合成方法
    2018年6月29日/生物谷BIOON/---在一項新的研究中，來自美國加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國家實驗室和聯合生物能源研究所的研究人員發明了一種合成DNA的新方法。這種方法有望更容易地更快速地合成DNA，並不需要使用毒性化學物，而且可能是更準確的。鑑於具有更高的準確性，這種技術能夠產生比當前的方法長10倍的DNA鏈。
  • 研究人員已開發出針對香草與黑胡椒的真實性檢測方法
    丹麥研究人員已經開發出針對香草和黑胡椒的食品摻假檢測方法，這兩種商品的摻假都可能帶來高額經濟利益。食品欺詐是全球性的問題，當為了經濟利益以次充好時，產品的智慧財產權及消費者健康都將遭受威脅。丹麥技術大學國家食品研究所博士後研究員Amelia Sina Wilde在接受採訪時表示：「香草莢和黑胡椒是高價值商品
  • 美國研究人員開發出大幅降低液流電池成本的離子交換膜
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】據外媒報導，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員日前宣布，已經成功開發一種可以大幅降低液流電池成本的離子交換膜。這種名為AquaPIM材料是一種具有離子選擇性和內在微孔的水相容的聚合物，並具有可調的厚度和高電導率。
  • 用靜電懸浮技術設計耐久的MEMS開關
    據麥姆斯諮詢報導，賓厄姆頓大學（Binghamton University）、紐約州立大學（State University of New York）的研究人員開發出了一種使手機和電力線更耐久的方法。
  • 給合成生物學的一次預警:當心計算機黑客的「惡意DNA入侵」
    在 Nature Biotechnology 最近接收的一封 「致主編信」 中，一組以色列研究人員提出了一個聽起來蠻瘋狂的想法：計算機黑客是否會誘騙合成生物領域的科學家，去創造一段有害或潛在風險的惡意基因片段？
  • DNA的合成、組裝及轉移技術
    而隨著 DNA 合成技術及基因編輯技術的發展，人類「編寫」生物基因組也逐漸成為現實。基因組的編輯，甚至全基因組的重設計與合成，一方面可以作為研究手段探索基因的功能，促進功能基因組學的發展；另一方面則可以獲得新的生命體用於疾病治療、藥物生產等，服務人類。全基因組的從頭合成作為當前合成生物學研究的熱點之一，其涉及基因組的從頭設計、構建和功能表徵等，屬於自下而上的生物學研究策略。