«Пишем» ДНК не по абзацам, а по главам
Скорость, с которой современные технологии позволяют прочитывать длинные последовательности ДНК, растет год от года. Вместе с тем, о синтезе нуклеотидных цепей такого сказать нельзя. Так называемое "написание" ДНК сильно отстаёт от чтения как по скорости, так и по длине синтеза последовательности. Исследователям из французской биотехнологической компании удалось "написать" последовательность ДНК в 150 пар оснований с использованием новых ферментов, близких по строению к естественным (участвующим в процессе построения молекул ДНК в живых клетках). Это можно считать настоящим прорывом, ещё буквально несколько месяцев назад максимальная длина цепи ДНК, синтезированной подобным образом, составляла порядка 50 пар нуклеотидов.
По мнению Джорджа Черча – генетика из Гарвардской медицинской школы в Бостоне – полученные результаты можно считать крупным достижением современной генетики. «Если ферментативный метод будет набирать обороты, увеличивая скорость «написания» и длину синтезированной ДНК, то можно говорить о создании целых искусственных геномов, а также об использовании записывающих устройств на основе ДНК, что, в свою очередь, откроет новую страницу в информационных технологиях». В основе ферментативных методов «написания» ДНК лежит применение полимераз (нуклеотидилтрансфераз, катализирующих синтез нуклеиновых кислот из нуклеозидтрифосфатов при использовании в качестве матрицы ДНК или РНК). Этот метод позволяет избежать ошибок, возникающих при использовании стандартной химической технологии (синтез олигонуклеотидов с использованием фосфорамидита). Несмотря на то, что коммерческие биотехнологические компании начали внедрять в практику ферментативный метод синтеза ДНК только в последние 10 лет, он оказался настолько перспективным, что на сегодняшний день уже больше половины крупных корпораций, занимающихся «написанием» ДНК, переключились на ферментативный способ.
Тем не менее, ферментативный способ еще предстоит совершенствовать. Как уже говорилось выше, большинство полимераз, участвующих в синтезе ДНК, нуждаются в матрице, на основании которой будет происходить построение новой последовательности в соответствии с принципом комплементарности. Однако, терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза (terminal deoxynucleotidyl transferase, TdT), проявляющая активность преимущественно в иммунных клетках, не нуждается в одноцепочечной матрице для своего функционирования. Именно TdT используется в настоящий момент в большинстве методов ферментативного синтеза ДНК. TdT синтезирует полидезоксирибонуклеотиды, состав которых определяется лишь природой и относительными концентрациями дезоксинуклеотидов, присутствующих в реакционной смеси. Иными словами, TdT в случайном порядке добавляет новые «буквы» к растущей цепи ДНК, поэтому одной из актуальных задач на пути развития ферментативного метода является разработка условий, при которых TdT будет добавлять нужный в данный момент нуклеотид. Одним из вариантов решения этой задачи является способ, аналогичный используемому в химическом синтезе, – применение протективных групп, соединенных с дезоксинуклеотидами, препятствующих присоединению к растущей цепи ДНК более одного нуклеотида за раз. Только после присоединения желаемого нуклеотида протективная группа удаляется и TdT дается возможность перейти к синтезу следующей комплементарной пары оснований. На данный момент для увеличения цепи на одну «букву» требуется порядка 5 минут. Для сравнения, продолжительность 1 цикла стандартного химического синтеза ДНК также составляет порядка 5-10 минут.
Что касается длины полученного ДНК-фрагмента, то по словам учёных, она уже сопоставима с таковой, полученной по технологии химического синтеза. Однако для химического синтеза ДНК характерно протекание побочных реакций, что накладывает ограничение на длину синтезируемого олигонуклеотида (до 200 нуклеотидных остатков), поскольку число ошибок накапливается с увеличением длины целевого продукта. Поэтому для синтеза генов большой длины необходимо развивать альтернативные методы "написания" ДНК. Большинство ученых сходятся во мнении, что будущее за ферментативными методами.