Der lange und kurvenreiche Weg: Weiter

Jan 26, 2024

Der Zugang zur DNA-Schreibtechnologie wächst dank der Kommerzialisierung dieser Techniken durch Dienstleistungen, die von Tisch-DNA-Druckern bis hin zu kundenspezifischer Synthese reichen

Bildnachweis: CIPhotos/Stock/Getty Images Plus

Der Stand der DNA-Synthese ähnelt ein wenig der Reise der Menschheit zum Mond – nur weil schon einmal etwas erreicht wurde, heißt das nicht, dass wir aufhören sollten, darüber nachzudenken, wie wir es besser machen können.“

So sieht Harold P. de Vladar, CEO und Gründer des Anbieters von langsynthetischen DNA-Diensten Ribbon Biolabs, die enormen Chancen im Bereich der DNA-Synthese. de Vladar sagt, dass die DNA-Synthese, die der Mondlandung von Apollo 11 entsprach, Craig Venters bahnbrechende Arbeit beim Zusammenbau des 5386 bp langen Bakteriophagen ΦX174 aus kurzen Einzelsträngen synthetischer, kommerziell erhältlicher DNA, bekannt als Oligonukleotide, war.1 Venter und sein Team am J. Craig Das Venter Institute baute das ΦX174-Genom in den Jahren 2002–2003 mithilfe einer Adaption der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) namens Polymerase Cycle Assembly2 auf – unmittelbar nach der Sequenzierung des menschlichen Genoms in den frühen 2000er Jahren.

Dieses Problem bestand noch bis vor einigen Jahren. „Als ich noch Forscher war, stand ich vor dem Problem der Herstellung langer DNA, indem ich eine Bibliothek kleiner Phagengenome, etwa 4000 bp, synthetisieren wollte, und das war ein unmögliches Projekt. Ich wollte etwa 250 Sequenzen, aber das war unerreichbar“, sagte de Vladar.

Vor etwa zehn Jahren sah de Vladar, dass ein Unternehmen namens Twist Bioscience in den Nachrichten auftauchte. Er kam zu der Erkenntnis, dass die Menschen immer noch daran interessiert waren, lange DNA zu synthetisieren. „Oberflächlich betrachtet schien die DNA-Synthese gelöst zu sein, aber wenn man sich die Details ansieht, wie die Kosten pro Base pro Base für die Sequenzierung gesunken sind usw., erkennt man, dass dies alles andere als gelöst war“ (Kasten 1).

Die Kosten für die Sequenzierung sind in den letzten 10 bis 15 Jahren in einem Tempo gesunken, das das Mooresche Gesetz übertrifft. Die Kosten für eine menschliche Genomsequenz sanken von geschätzten 1 Million US-Dollar im Jahr 2007 auf 1.000 US-Dollar im Jahr 2014 und liegen heute bei fast 100 US-Dollar, wobei die Illumina NovaSeq Doch die Erschwinglichkeit der kundenspezifischen DNA-Synthese hat nicht Schritt gehalten und die Kosten bleiben relativ hoch. In den letzten Jahren gab es einen allgemeinen Trend dahingehend, dass die Kosten für die Gensynthese auf 0,01 US-Dollar pro bp sinken, im Gegensatz zu weniger als 1–2 US-Dollar pro Gigabase, die die neuesten Sequenzierungstools der nächsten Generation bieten.7

Im Jahr 2018 gründete de Vladar Ribbon Biolabs in Wien, Österreich. Das DNA-Syntheseunternehmen kann an einem Tag zuverlässig 1-kb-Fragmente konstruieren, die zu größeren Molekülen von 10–20 kb zusammengesetzt werden können. Zu diesem Zweck verarbeitet Ribbon eine Sequenz algorithmisch in kleinere Teile, die in einem Entscheidungsbaum sortiert werden, um die beste Kombination von 10- und 12-mer-Oligos (aus ihrer Biobank mit fast 80.000 Oligos) für den automatisierten Zusammenbau zu identifizieren. Die tatsächliche Bearbeitungszeit, einschließlich sequenzbasierter Überprüfung und Lieferung, beträgt für das kleine Unternehmen (mit nur ein paar Dutzend Mitarbeitern) etwa 3 Tage. Das Ziel von de Vladar und Ribbon Biolabs besteht darin, die Gensynthese vom Bibliotheksansatz auf 1000 kb pro Tag zu skalieren.

Durch die Verbesserung von Enzymen und Montagestandards haben sich die Genauigkeit und Anzahl der DNA-Moleküle, die in einem einzigen Schritt kombiniert werden können, verbessert. Im letzten Jahrzehnt wurde eine Vielzahl leistungsstarker neuer DNA-Assemblierungsmethoden – einschließlich Gibson Assembly3 – entwickelt. Diese Montagemethoden wurden bei der Konstruktion eines minimalen Bakteriengenoms4 und synthetischer Hefechromosomen5 angewendet

Assemblierungsansätze zur DNA-Synthese weisen mehrere Nachteile auf: Sie können durch Verunreinigungen synthetischer Oligonukleotide, die Abhängigkeit der Methode von der Sequenzbestätigung eines einzelnen Klons und die Abhängigkeit von hochpräzisen Korrekturlese-PCR-Enzymen, die zum Kopieren der Konstruktion verwendet werden müssen, beeinträchtigt werden Gene, um Mutationen während der Amplifikation zu verhindern.

Der mehrstufige Ansatz von Ribbon Biolabs ist durch die physikalische Größe der synthetisierten Moleküle begrenzt. „DNA mit einer Größe von 20–40 kb ist ein wirklich komplexes Molekül“, sagte de Vladar. „Die Reaktionen sind nicht mehr so ​​effizient. Doch das ist noch nicht einmal das schlimmste Problem: Längere DNA-Moleküle brechen aufgrund der bloßen Krafteinwirkung. Die Montage selbst ist nicht das Problem; Es ist die Manipulation der DNA-Moleküle. Es ist ein Problem, das wir auch zu lösen versuchen, und wir haben einige Ideen in der Forschung und Entwicklung. Aber es werden nicht einfach 30 KB auf Knopfdruck gedruckt.“

Darüber hinaus sind sich nicht alle einig, dass es sich beim Zusammenbau um eine DNA-Synthese handelt. „Wenn wir über DNA-Synthese sprechen, müssen wir ein wenig vorsichtig sein, denn manche reden über Oligonukleotidsynthese und andere über Genassemblierung“, sagte Sylvain Gariel, Mitbegründer und COO von DNA Script, einem Unternehmen, das DNA chemisch synthetisiert.

Seit die Struktur der DNA vor 70 Jahren erstmals aufgeklärt wurde, wurden wesentliche Meilensteine ​​erreicht, die den Weg für die DNA-Syntheseindustrie ebneten. In den letzten 40 Jahren haben Wissenschaftler kontinuierliche Schritte unternommen, um die Chemie hinter der schrittweisen Erzeugung von DNA Nukleotid für Nukleotid herauszufinden. Es wurden chemische Methoden entwickelt, um kurze DNA-Ketten, typischerweise <200 Nukleotide (Oligonukleotide), zuverlässig bereitzustellen. Diese Methoden wurden so konzipiert, dass sie am besten mit automatischen Synthesizern funktionieren, die heute für die Gentechnik und Sequenzierung benötigt werden.

Als nächstes entwickelten Wissenschaftler Methoden, um DNA zu erzeugen, die länger und komplexer als Oligonukleotide ist, indem sie Enzyme mit oder ohne DNA-Vorlagen verwendeten. Die Basistechnologie für DNA Script ist beispielsweise die templatunabhängige enzymatische Oligonukleotidsynthese. Unternehmen haben diese chemischen Synthesemethoden in Produkte und Dienstleistungen umgewandelt, wie z. B. Tisch-DNA-Drucker und kundenspezifische Synthesen, die die DNA-Synthese auch für Menschen ermöglichen, die keine Experten sind.

Am 9. März 2023 berichtete Ansa Biotechnologies, Inc., dass es ihnen gelungen sei, das längste DNA-Oligonukleotid der Welt in einer einzigen Synthese herzustellen. Die 1005-Basen-Sequenz kodiert für einen wichtigen Teil eines Adeno-assoziierten Virusvektors, der zur Entwicklung einer Gentherapie verwendet wird. Es verfügt über komplexe Eigenschaften, wie z. B. starke Sekundärstrukturen und einen hohen GC-Gehalt, die es sehr schwierig machen, es mit herkömmlichen Methoden herzustellen, bei denen kürzere Oligonukleotide zusammengesetzt werden müssen.

Als Metaboliten-Ingenieur war Gariel durch den Erwerb von DNA-Konstrukten eingeschränkt. Er musste Wochen oder sogar Monate warten, um lange DNA-Abschnitte für Dutzende oder sogar Hunderte von Genen zu erhalten. Bei DNA Script macht Gariel Fortschritte bei der Kommerzialisierung eines Tisch-DNA-Synthesegeräts namens Syntax, um diesen Engpass zu umgehen (Abbildung 1).

„Unser Endziel auf dem Markt war: Wenn ich es auf meiner Bank schaffen kann, kann ich plötzlich alle Zeiten einsparen, die der Dienstleister verlangt“, erklärte Gariel. „Ich überlasse die Kontrolle nicht einem Dienstleister, solange ich über ein Gerät und die Reagenzien verfüge, die ich zum Betrieb benötige. Ich kann es auf dem Tisch durchführen, ohne dass dafür besondere Infrastrukturanforderungen außer einem Raum für Molekularbiologie und einem Stromstecker erforderlich sind.“

Das Syntax-Instrument ist ein Tisch-DNA-Synthesizer, dessen Größe dem HiSeq-Sequenzer von Illumina ähnelt. Dieser Synthesizer kann 60-bp-Oligonukleotide in reiner Form zur sofortigen Verwendung innerhalb von 6 Stunden erzeugen.

Um die DNA-Synthese sicherer und zugänglicher zu machen, hat sich DNA Script mit den Gefahren befasst, die von der Phosphoramidit-Chemie ausgehen (Kasten 2), sowohl für den Benutzer als auch für die Umwelt. Gariel weist darauf hin, dass diese Chemie aus diesem Grund mit starken Einschränkungen hinsichtlich der Infrastruktur und der engagierten Arbeitskräfte verbunden ist.

Fortschritte in der Festphasensynthese – der Synthese chemischer Verbindungen, bei der das Reaktantenmolekül chemisch an ein unlösliches Material gebunden wird und Reagenzien in der Lösungsphase hinzugefügt werden – inspirierten Marvin H. Caruthers in den 1980er Jahren zur bahnbrechenden Entwicklung der Phosphoramidit-Chemie für die DNA-Synthese der University of Colorado Boulder.8 In den 1980er Jahren entstand der erste automatisierte DNA-Synthesizer aus einer Zusammenarbeit mit Caruthers und basierte auf Caruthers‘ Arbeiten zur Aufklärung der Chemie der Phosphoramidit-Oligonukleotidsynthese. Applied Biosystems nutzte diese Methode, um den ersten automatisierten DNA-Synthesizer herzustellen. Dies erleichterte den Menschen den Zugang zu synthetischen Oligonukleotiden. Allerdings weist die Phosphoramidit-Methode zur DNA-Herstellung einige Probleme auf, wie zum Beispiel, dass Phosphoramidit auf dem Labortisch nicht stabil bleibt, dass viele organische Lösungsmittel verwendet werden müssen und dass Poly-Repeat-Sequenzen nicht hergestellt werden können.

Die Synthese, Verarbeitung und Reinigung von Oligonukleotiden ist ein arbeitsintensiver Prozess, der immer noch größtenteils von Dienstleistern durchgeführt wird. Daher wurden die Synthesekapazitäten bei den Herstellern von Spezialreagenzien zentralisiert. Führende Unternehmen wie Agilent Technologies, GenScript, Integrated DNA Technologies, ThermoFisher, TriLink, Dharmacon, Twist Bioscience und andere stellen auf Anfrage maßgeschneiderte DNA (und RNA) in verschiedenen Formaten her. Für Benutzer, die die Vorlaufzeit für solche Dienste verkürzen möchten, gibt es eine Reihe von Instrumenten, beispielsweise die ÄKTA-Oligonukleotid-Synthesizer von Cytiva, die täglich erworben und betrieben werden können.

In der Vergangenheit verwendete die Molekularbiologie kurze DNA-Sequenzen wie Primer für die Polymerase-Kettenreaktion oder Sonden für den molekularen Nachweis, die Amplifikation und Veränderung. Jetzt suchen Wissenschaftler nach längeren Sequenzen mit unterschiedlichen Teilen, etwa nach ganzen Genomen mit einer Genauigkeit bis auf eine einzige Base, die von Grund auf neu zusammengesetzt werden müssen. Die Phosphoramidit-Methode kann bei so langen Sequenzen nicht funktionieren, da sie bei der Herstellung reiner DNA nach Oligonukleotidsequenzen von etwa 200 bp weniger effektiv ist.

Mit einer anderen Methode müssen längere Sequenzen schrittweise aus kleineren Strängen zusammengesetzt werden, wobei Fehler behoben werden. Aus diesem Grund sind enzymatische Ansätze besonders attraktiv, da sie in großem Maßstab eingesetzt werden können, bestimmte Gruppen ansprechen und gut für die Umwelt sind. Enzyme können die Erkennung von Fehlpaarungen vermitteln und so das selektive Annealing komplementärer Stränge ermöglichen, die Anzahl der Schritte in jedem Verlängerungszyklus reduzieren, indem sie den Bedarf an Kopplungsreagenzien eliminieren, und die Abhängigkeit von organischen Lösungsmitteln verringern. Enzyme können die Synthese mit oder ohne DNA-Matrizen durch Amplifikation oder die Synthese von De-novo-Sequenzen fördern.

„Diese Chemikalien sind unglaublich aggressiv – sie sind flüchtig und krebserregend“, sagte Gariel. „Normalerweise möchte man sich im Labor nicht mit ihnen befassen. Wir haben eine wasserbasierte enzymatische DNA-Synthese-Technologie (EDS) entwickelt, die unglaublich vielseitig und einfach zu automatisieren ist.“

Matthew Hayes, Chief Technology Officer und Mitbegründer von Evonetix, sagt, dass sich die meisten Versuche, DNA herzustellen, darauf konzentrierten, die Technologie zu verkleinern. Evonetix hat einen ganz anderen Ansatz gewählt. „Wir haben uns gefragt: ‚Was stimmt mit der DNA-Synthese nicht?‘ „Warum ist es grundsätzlich schwierig, lange DNA-Stücke herzustellen, und können wir eine Lösung finden, die dieses Problem von Grund auf löst?“, erklärte Hayes.

„Heutzutage gibt es Leute, die Maschinen herstellen können, die mittels säulenbasierter Synthese eine kleine Anzahl von Oligos und PCR-Primern mit hoher Ausbeute herstellen können. Wenn Sie jedoch eine Reihe von niedermolekularen Mengen, aber einem Pool mit hoher Diversität synthetisieren möchten, sind Sie weitgehend auf Dienstleister angewiesen.“ Evonetix plant, den Anwendern Instrumente zur Verfügung zu stellen, die mithilfe halbleiterbasierter Chips einen Pool von Oligos synthetisieren können (Abbildung 2). „Wir können unsere Maschine auch anweisen, diesen Pool zu einer viel längeren doppelsträngigen DNA-Matrize zusammenzusetzen“, sagte Hayes.

Dies ist nicht das erste Mal, dass Tisch-DNA-Synthesizer auf den Markt kommen. Emily Leproust, CEO von Twist Bioscience, erinnert sich, als die Leute aufhörten, Tisch-DNA-Synthesizer zu kaufen. „Ich habe 1996 mit meiner Doktorarbeit in DNA-Synthese begonnen und 1998 haben wir einen der letzten dezentralen Desktop-Oligo-Synthesizer gekauft“, sagte Leproust gegenüber GEN Biotechnology.

„Ich gehöre zu einer Generation, die sich daran erinnert, als die Leute aufhörten, DNA-Synthesizer zu kaufen. Der Grund, warum sie aufgehört haben, ist, dass es einfach billiger und schneller war, es zu versenden. Viele Leute haben vergessen, dass wir früher den Tisch-DNA-Synthesizer hatten und dieser Markt einfach gestorben ist, weil der zentralisierte Ansatz schneller und billiger ist.“

Unter den mehreren tausend Twist-Kunden erhält Leproust jedes Jahr einige Anfragen mit der Frage, ob Benutzer den Chip und die DNA-Synthesemaschine in ihrem Labor erhalten könnten, was sie gerne tun würde. „Es gibt vielleicht ein paar Nischenanwendungen, bei denen man bereit ist, viel mehr zu zahlen, um die Synthese vor Ort durchführen zu lassen“, sagte Leproust. „Aber wenn es vor Ort ist, wird es viel teurer – in einer zentralisierten Einrichtung werden Sie den Preis nie übertreffen.“

Laut Leproust verfügt Twist über „unbegrenzte Skalierbarkeit“. Als ich in der Graduiertenschule meinen Desktop-DNA-Synthesizer hatte, konnte ich acht Oligos herstellen. Jetzt schaffen die Desktops etwa 96. Aber was ist, wenn Sie 500 Oligos herstellen möchten? Sie müssen das Instrument fünfmal hintereinander betreiben. Wenn Sie 10.000 Oligos wollen, müssen Sie es 100 Mal hintereinander ausführen! Unser Sortiment ist super flexibel.“

DNA-Syntheseunternehmen wie Twist bieten die Möglichkeit, schnell komplexe und große DNA-Mengen zu Preisen herzustellen, die endlich erschwinglicher werden. Die auf Silizium basierende Hochdurchsatz-Gensyntheseplattform von Twist stellt hochwertige Genfragmente für nur 0,07 US-Dollar pro Bp und perfekte klonale Gensequenzen, die durch Next-Generation Sequencing verifiziert werden, für nur 0,09 US-Dollar pro Bp her.

„Unsere Technologie kann Millionen von Oligos gleichzeitig herstellen, bis zu 300 Basen mit einer Qualität von etwa einem Fehler in 2–3000 Basen, und wir können bis zu 5000 Basen in einem Konstrukt zusammensetzen“, sagte sie. „Wenn Sie Fragmente mit einer Länge von 1 kb wünschen, können wir das für 70 US-Dollar tun und sie innerhalb von vier Tagen an Sie versenden, und wir können mehr als 1 Million dieser 1000-Basen-Fragmente pro Jahr herstellen.“

Obwohl Leproust glaubt, dass die Technologie von Twist über 300-Basen-Oligos hinausgehen kann, ist die Synthese der Oligos im Vergleich zum Zusammenfügen relativ langsam. „Wenn wir 1.000 Basen komplett durch Synthese herstellen würden, wäre das nicht schneller als das, was wir heute in vier Tagen geliefert haben, und Sie würden an Geschwindigkeit, Qualität und Kosten verlieren“, sagte Leproust. „Es ist eine gewisse Eitelkeit, zu sagen: ‚Ich kann ein 1.000-bp-Fragment erstellen.‘ Aber wenn es teurer, langsamer und von geringerer Qualität ist, ist das nicht das, was der Kunde will. Uns geht es mehr darum, was den Kunden bewegt. Ich führe keine wissenschaftlichen Experimente durch. Wir sind ein Unternehmen mit hohem Durchsatz, großem Maßstab und niedrigen Kosten, einer sehr guten Bruttomarge und müssen vierteljährlich ein Umsatzwachstum erzielen.“

Twist arbeitet an mehreren Fronten, um seine DNA-Synthese als Dienstleistung zu verbessern. Eine Dimension der Forschung und Entwicklung von Twist betrifft den Siliziumchip. Leproust sagte, dass sie versuchen, eine DNA-Synthese mit höherer Dichte zu schaffen. „Wir können eine Million Oligos auf dem aktuellen Chip herstellen, der die Größe eines großen Mobiltelefons oder einer 96-Well-Platte hat“, sagte Leproust (Abbildung 3). „Der neue Chip ist 24-mal kleiner, etwa so groß wie eine Briefmarke, und wir können darauf 256 Millionen Oligos herstellen.“ Das ist eine Verbesserung in Menge und Kosten von über 6.000 ×. Unser Plan zur Miniaturisierung und zur Senkung der Kosten besteht darin, von 256 Millionen auf 3 Milliarden, dann auf 10 Milliarden und dann auf 50 Milliarden Oligos pro Chip zu steigen.“

Die zweite Dimension betrifft die Geschwindigkeit. Derzeit dauert es 4 Tage von der Bestellung bis zum Erhalt der 1000 bp synthetisierten DNA auf dem FedEx-LKW. Leproust geht davon aus, dass Twist dies wahrscheinlich um die Hälfte auf zwei Tage reduzieren kann. Eine dritte Überlegung betrifft die Länge der Genfragmente. Das aktuelle Maximum von Twist liegt bei etwa 1,8 kb, aber Leproust möchte das auf 5 kb erweitern. Der vierte Aspekt ist die Masse, die der Kunde benötigt. Laut Leproust möchten einige Kunden Femtomole, während andere möglicherweise 100 kg benötigen. Twist liegt in diesem Bereich eher im unteren Bereich, arbeitet jedoch daran, die von den Kunden gewünschten Mengen zu erweitern.

In einem zunehmend überfüllten Bereich besteht der beste Weg, die Führung in der DNA-Synthese zu übernehmen, darin, die Dinge um Größenordnungen besser zu machen als den Stand der Technik. Aus diesem Grund hat sich Michael Chen, CEO und Gründer von Nuclera, für einen Wechsel entschieden. „Wir haben keinen Weg gesehen, bei dem die enzymatische DNA-Synthese zu einer 10- oder 100-fachen Verbesserung von etwas für den Kunden führen würde.“

Chen und seine Mitbegründer entschieden sich für eine andere Frage: Was ist heute der Engpass in der Forschung? Der größte Engpass für alle Unternehmen im EDS-Bereich besteht laut Chen in der Herstellung der Proteine ​​zum Schreiben von DNA.

Als ausgebildeter Röntgenkristallograph wurde ich oft gefragt, „was der Engpass im Prozess sei?“ sagte Chen. „Die natürliche Annahme ist, dass es die Kristallographie ist, für deren Erlernung ich drei bis sechs Monate gebraucht habe. Aber was mich Jahre gekostet hat, war, überhaupt erst gutes Protein zu bekommen, um mein Doktorprojekt durchzuführen! Das klingt stark nach Medikamentenentwicklung, bei der Forscher Monate, vielleicht sogar Jahre damit verbringen, Zielproteine ​​zu finden. Heutige Proteinwissenschaftler sind wochenlang im Labor und führen einen unglaublich arbeitsintensiven Prozess durch, um Zellen zu züchten, zu manipulieren, aufzubrechen und zu reinigen. Es ist eine Multimilliarden-Dollar-Industrie, also eine riesige Chance.“

Chen sah eine Gelegenheit, die Kerntechnologie der digitalen Mikrofluidik von Nuclera zu nutzen und in einer strategischen Partnerschaft mit E Ink, dem Entwickler von ePaper-Displays, zusammenzuarbeiten. „Die Lieferkette und die Forschung zur Herstellung von ePaper-Displays haben viel mit der Art der Tröpfchenautomatisierungstechnologie zu tun, an der wir bei Nuclera arbeiten und die wir kommerzialisieren. Wir haben [die eDrop-Lab-on-a-Chip-Technologie] entwickelt, um Tausende von Tröpfchen auf programmierbare Weise in einem sogenannten „Pipetten-und-Vergessen“-Prozess zu bewegen. Der Forscher pipettiert direkt in die Kartusche und kann dann weggehen.“

Unabhängig davon, ob Assemblierungs- oder chemische Oligonukleotidsynthesemethoden zum Einsatz kommen, ist die Erzeugung langer DNA eine Realität und bietet eine wachsende Liste biotechnologischer Anwendungen, die über die Herstellung von Proteinen und synthetischem Leben hinausgehen. Mithilfe der DNA-Synthese können Impfstoffe, Gentherapien, DNA-Datenspeicher, DNA-Origami (Kasten 3), Nanobots6 und Pflanzen hergestellt werden, die gegen den Klimawandel resistent sind. Dies hat zu einer enormen Nachfrage nach Massenproduktion langer synthetischer DNA und damit zu einem rasanten Anstieg der Entwicklung und Kommerzialisierung von DNA-Synthesetechniken geführt.

DNA-Origami besteht aus der Verwendung kurzer Oligos („Klammern“), um die Faltung eines langen („Gerüst“)-Strangs zu steuern und den Aufbau komplexer 2D- und 3D-Strukturen, einschließlich gebogener Nanostrukturen, zu ermöglichen. Im Jahr 2012 wurde DNA-Origami verwendet, um komplexe Nanostrukturen wie geschlossene Transmembrankanäle zusammenzusetzen.9,10

Im selben Jahr wurde über einen Ansatz für den Entwurf komplexer 3D-DNA-Strukturen berichtet, der auf dem Zusammenbau kurzer Oligonukleotide (ohne Gerüststrang), sogenannten DNA-Bricks, basiert.11 Der Schlüssel zu diesem Ansatz liegt in der Verknüpfung von Struktureinheiten (8-mer) miteinander physischen Ort, wodurch praktisch eine Acht-Nukleobasen-Adresse für jede Position in einem diskreten 3D-Raum entsteht. Die Verwendung eindeutiger Adressen ermöglichte den Aufbau von 3D-Strukturen auf der Grundlage vorgefertigter Sätze kurzer DNA-Oligomere („Bricks“) – jeder DNA-Brick ist ein 32-mer, das als vier zusammenhängende 8-Basen-Domänen konzipiert ist, die auf benachbarte physische Adressen abzielen und an a erinnern 2 × 1 LEGO® Stein.

Obwohl noch nicht alle Lösungen auf dem Markt sind, ist eine DNA-Synthese über große Entfernungen eindeutig möglich und verbessert sich im Hinblick auf Preis, Geschwindigkeit und Qualität. Und in allen Kundensegmenten gibt es immer mehr Lösungen, die die Zukunft der Biotechnologie mithilfe langer synthetischer DNA gestalten wollen.

Die Entwicklung von DNA-Synthesetechnologien könnte auch in den Materialwissenschaften und der Nanotechnologie relevant sein. Nukleinsäuren sind eine bemerkenswert vielseitige Quelle für neuartige Materialien und Nanogeräte. Design und Evolution in Kombination mit der Sub-Angström-Auflösung, die Nukleinsäuregerüste bieten, können nicht nur den Aufbau komplizierter Strukturen ermöglichen, sondern ihnen auch Eigenschaften wie eine enge Ligandenbindung, katalytische Aktivität und unterschiedliche Konformationszustände verleihen. Die chemische Modifikation von Nukleinsäuren und insbesondere der umfassende Ersatz des natürlichen Gerüsts durch evolutionäre synthetische genetische Polymere (Xeno-Nukleinsäuren [XNAs]) birgt das Potenzial, beispielsweise neuartige Strukturen und Geräte zu schaffen und deren Funktionalitäten erheblich zu erweitern Dadurch entstehen XNA-Geräte, die in vivo stabil sind und in diagnostischen Anwendungen eingesetzt werden können, die sich Fluoreszenz- oder katalytische Eigenschaften zunutze machen.

Die laufenden Arbeiten zur Erweiterung der Chemie, die mit der enzymatischen Synthese und Evolution kompatibel ist, werden die wachsende Palette an XNAs ergänzen, die für den Aufbau von XNA-Nanostrukturen und -Geräten verfügbar sind und neue Funktionen und verbesserte Leistung in anspruchsvollen Umgebungen und Bedingungen ermöglichen.

Verweise

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Dieser Artikel wurde ursprünglich in der Aprilausgabe 2023 der Zeitschrift GEN Biotechnology veröffentlicht. GEN Biotechnology, herausgegeben von Mary Ann Liebert, Inc., ist eine renommierte Fachzeitschrift mit Peer-Review, die herausragende Originalforschung und Perspektiven zu allen Aspekten der Biotech-Branche veröffentlicht.