Sintesis DNA Menjadi Hijau

DNA (atau asam deoksiribonukleat seperti yang mungkin dikatakan guru sekolah menengah Anda) adalah molekul yang terdiri dari nukleotida, yang dihubungkan oleh ikatan kovalen dan hidrogen dalam urutan yang berulang. Seperti balok atau huruf Lego®, nukleotida dapat digabungkan bersama dalam sejuta cara untuk membentuk instruksi yang membangun alam dari bawah ke atas.

Sintesis DNA, yaitu pembuatan DNA, terjadi secara alami saat sel membelah dan bereplikasi, dengan setiap sel anak mengandung informasi genetik dasar yang sama dengan induknya. Sintesis DNA yang terjadi pada organisme hidup sering dikategorikan sebagai: in vivo, sedangkan sintesis DNA yang terjadi di luar sel (yaitu di laboratorium) sering disebut sebagai in vitro (Latin untuk “dalam gelas”).

Ahli biologi pertama kali mulai mensintesis DNA di laboratorium hampir 40 tahun yang lalu. Proses ini, yang disebut “sintesis fosforamidit,” dikembangkan oleh Marvin Caruthers dan timnya di Universitas Colorado mulai tahun 19811. Pekerjaan mereka didasarkan pada manipulasi kimia nukleotida dan terbukti sangat berhasil dalam mengidentifikasi dan mereplikasi urutan DNA pendek. Kami menggunakan rantai pendek (30-120 nukleotida) hari ini dalam aplikasi ilmiah dan diagnostik kritis seperti primer PCR. Sintesis fosforamidit telah menjadi andalan industri dan merupakan sintesis DNA komersial yang diterapkan secara luas yang digunakan oleh perusahaan seperti Putar Bioscience, Biowork Ginkgo, dan Genskrip.

Selama 7-8 tahun terakhir, peningkatan jumlah fokus telah ditempatkan pada sintesis DNA "enzimatik", yang menghindari penggunaan agen kimia luar dan memanfaatkan enzim alami, yaitu, mesin molekuler yang sama yang digunakan oleh sel hidup untuk mengkatalisis DNA. reaksi sintesis. Saat ini, sebagian besar sintesis DNA enzimatik bergantung pada penggunaan terminal deoxynucleotidyl transferase (TdT), enzim yang bertanggung jawab untuk memasukkan nukleotida “ekstra” ke dalam proses penyambungan gen2. Manfaat yang diakui dari sintesis enzimatik termasuk kemampuan untuk menghindari penggunaan zat kimia keras (yang sering menghasilkan limbah beracun) dan kemampuan yang terus meningkat untuk menghasilkan untaian DNA yang lebih panjang dan lebih panjang… yang pada gilirannya, tidak hanya menghasilkan lebih banyak “ bentuk hijau” dari sintesis DNA tetapi juga beberapa kegunaan baru yang sangat kuat untuk rantai DNA yang lebih panjang (misalnya, vaksin, terapi, dan penyimpanan data).

Lima perusahaan memimpin pasar dalam sintesis enzimatik DNA: Majelis Molekuler, Skrip DNA, Sedikit Bio, Evonetix, dan Ansa Bioteknologi. Masing-masing perusahaan ini menyediakan merek alat sintesis DNA enzimatik mereka sendiri, yang cenderung terbagi dalam dua kategori besar solusi bisnis: sintesis DNA desktop (yang dilakukan melalui mesin replikasi yang berdiri sendiri) atau sintesis DNA sebagai layanan (yang dilakukan melalui mesin replikasi yang berdiri sendiri). dilakukan oleh perusahaan atas nama kliennya).

Yang menarik adalah Molecular Assemblies, yang didirikan pada tahun 2014 oleh pakar industri Mike Kamdar dan Bill Efcavitch, PhD. Pada tahun 2020, Majelis Molekuler bergabung dengan Kodeks, dipimpin oleh veteran DNA John Nicols, sebagai sarana untuk meningkatkan kecepatan mereka ke pasar dan mengumpulkan dana baru. Dengan sumber daya gabungan tersebut, Efcavitch percaya, “Pengayaan produk dalam proses eksklusif kami, yang merupakan fitur yang hanya dapat diakses melalui sintesis enzimatik, berarti bahwa kami dapat menghilangkan pemurnian pasca-sintetis dan mengurangi waktu penyelesaian bagi pelanggan kami.”

Molecular Assemblies baru-baru ini mengumumkan putaran investasi baru senilai $26MM (berlabuh oleh perusahaan terkemuka yang berfokus pada DNA seperti Agilent). Menurut CEO Molecular Assemblies Michael Kamdar, penggunaan dana akan memerlukan komersialisasi platform "Fully Enzymatic Synthesis" (FES) Perusahaan, yang menggunakan reagen berair, tidak beracun dan membutuhkan pemurnian dan pemrosesan pasca-sintesis minimal. Seperti yang dinyatakan oleh Kamdar, “Kemampuan untuk menghasilkan DNA yang panjang, murni, dan akurat dengan teknologi FES kami dapat mempercepat banyak aplikasi, seperti CRISPR, pengurutan generasi berikutnya, dan perakitan gen untuk berbagai aplikasi biologi sintetis.”

Selain investor dan perusahaan, kami di masyarakat umum sangat diuntungkan dari kemajuan dalam sintesis DNA enzimatik ini. “Cawan suci” dari untaian DNA yang lebih panjang dan lebih hemat biaya (hingga 1000-1500 nukleotida3) dapat digunakan untuk memproduksi vaksin yang lebih baik dalam waktu yang lebih singkat. Kemajuan dalam teknologi CRISPR menyediakan alat pengeditan gen yang sangat presisi yang dapat digunakan untuk mengubah gen pada model tanaman, bakteri, dan hewan. Kemampuan ini terbukti sangat efektif dalam mengidentifikasi dan menerapkan pengobatan untuk penyakit seperti kanker, Alzheimer, dll. Terakhir, DNA (sebagai molekul kaya data) berpotensi dapat digunakan untuk mengkodekan sejumlah besar informasi sebagai susunan oligonukleotida yang padat… mengejutkan (tingkat exabyte) jumlah. Baik pemerintah AS (misalnya, ARPA atau “Badan Proyek Penelitian Lanjutan) dan perusahaan konsumen (misalnya Netflix atau Google) telah bermitra dengan ahli biologi molekuler sebagai sarana untuk menyelidiki bagaimana untaian DNA dapat digunakan sebagai media penyimpanan yang tahan lama dan hemat biaya.

Kesimpulannya, sintesis enzimatik DNA mewakili langkah berikutnya yang sangat berharga dalam memanfaatkan kekuatan replikasi DNA dan kemampuan kita untuk menggunakannya untuk mengembangkan solusi bioteknologi mutakhir. Untuk mempelajari lebih lanjut tentang sintesis DNA dan perusahaan yang menggunakannya untuk membuat planet ini menjadi tempat yang lebih baik, silakan kunjungi kami di Dibangun Dengan Biologi.

Terima kasih kepada Larry Upton untuk penelitian dan pelaporan tambahan dalam artikel ini. Saya adalah pendiri SynBioBeta dan beberapa perusahaan yang saya tulis adalah sponsor dari Konferensi SynBioBeta dan kami intisari mingguan.

kutipan

1 Sandahl, AF, Nguyen, TJD, Hansen, RA et al. Sintesis fosforamidit sesuai permintaan. Nat Commun 12, 2760 (2021).

AlamSintesis fosforamidit sesuai permintaan – Komunikasi Alam

2 Eisenstein, M. Sintesis DNA enzimatik memasuki fase baru. Nat Bioteknologi 38, 1113-1115 (2020).

AlamSintesis DNA enzimatik memasuki fase baru – Bioteknologi Alam

3 Menulis dalam buku kehidupan: Aplikasi dalam biologi dan biomedis. SinBioBeta (2018)

Dibangun dengan biologiRakitan Molekuler: Menulis ulang biologi sintetik dengan sintesis DNA enzimatik – Dibangun dengan Biologi