La sintesi del DNA diventa verde

DNA (o acido desossiribonucleico come potrebbe dire il tuo insegnante di scuola superiore) sono molecole costituite da nucleotidi, che sono legati da legami covalenti e idrogeno in una sequenza ripetuta. Come i blocchi o le lettere Lego®, i nucleotidi possono essere uniti insieme in milioni di modi per formare le istruzioni che costruiscono la natura da zero.

La sintesi del DNA, cioè la creazione del DNA, avviene naturalmente quando le cellule si dividono e si replicano, con ogni cellula figlia contenente le stesse informazioni genetiche di base del suo genitore. La sintesi del DNA che si verifica in un organismo vivente è spesso classificata come in vivo, mentre la sintesi del DNA che avviene al di fuori della cellula (cioè in un laboratorio) è spesso indicata come in vitro (dal latino “in vetro”).

I biologi hanno iniziato a sintetizzare il DNA in laboratorio quasi 40 anni fa. Questo processo, chiamato "sintesi della fosforamidite", è stato sviluppato da Marvin Caruthers e dal suo team presso l'Università del Colorado a partire dal 19811. Il loro lavoro si basava sulla manipolazione chimica dei nucleotidi e si è rivelato estremamente efficace nell'identificazione e nella replicazione di brevi sequenze di DNA. Oggi utilizziamo queste catene corte (30-120 nucleotidi) in applicazioni scientifiche e diagnostiche critiche come i primer per PCR. La sintesi di fosforamidite è diventata un pilastro del settore ed è una sintesi di DNA commerciale ampiamente applicata utilizzata da aziende come Twist Bioscience, Ginkgo Bioworkse Genscritto.

Negli ultimi 7-8 anni, una crescente attenzione è stata posta sulla sintesi "enzimatica" del DNA, che evita l'uso di agenti chimici esterni e sfrutta gli enzimi naturali, ovvero le stesse macchine molecolari utilizzate da una cellula vivente per catalizzare il DNA reazioni di sintesi Attualmente, la maggior parte della sintesi enzimatica del DNA si basa sull'uso della deossinucleotidil transferasi terminale (TdT), un enzima responsabile dell'introduzione di nucleotidi "extra" nel processo di splicing genico2. I presunti vantaggi della sintesi enzimatica includono la capacità di evitare l'uso di sostanze chimiche aggressive (che spesso si traducono in rifiuti tossici) e una capacità sempre crescente di produrre filamenti di DNA sempre più lunghi... che a loro volta, si traducono non solo in un più " forma verde” di sintesi del DNA, ma anche alcuni nuovi usi incredibilmente potenti per le catene di DNA più lunghe (ad es. vaccini, terapie e archiviazione dei dati).

Cinque aziende guidano il mercato della sintesi enzimatica del DNA: Assiemi molecolari, copione del DNA, Un po' biografia, Evonetixe Ansa Biotecnologie. Ognuna di queste aziende fornisce il proprio marchio di strumenti di sintesi del DNA enzimatico, che tendono a rientrare in due grandi categorie di soluzioni aziendali: la sintesi del DNA desktop (che si ottiene tramite macchine di replicazione indipendenti) o la sintesi del DNA come servizio (quella che è realizzato dalla società per conto dei suoi clienti).

Di particolare interesse è Molecular Assemblies, fondata nel 2014 dagli esperti del settore Mike Kamdar e Bill Efcavitch, PhD. Nel 2020, Molecular Assemblies si è fusa con Codice, guidato dal veterano del DNA John Nicols, come mezzo per aumentare la loro velocità di commercializzazione e raccogliere nuovi finanziamenti. Con queste risorse combinate, Efcavitch ritiene, "Il nostro arricchimento del prodotto in-process, che è una caratteristica accessibile solo attraverso la sintesi enzimatica, significa che possiamo eliminare la purificazione post-sintetica e ridurre i tempi di consegna dei nostri clienti".

Molecular Assemblies ha recentemente annunciato un nuovo round di investimento da 26 milioni di dollari (ancorato da aziende leader incentrate sul DNA come Agilent). Secondo il CEO di Molecular Assemblies Michael Kamdar, l'uso dei fondi comporterà la commercializzazione della piattaforma "Fully Enzymatic Synthesis" (FES) dell'azienda, che utilizza reagenti acquosi e non tossici e richiede una purificazione e un'elaborazione post-sintesi minima. Come affermato da Kamdar, "La capacità di generare DNA lungo, puro e accurato con la nostra tecnologia FES può accelerare molte applicazioni, come CRISPR, sequenziamento di nuova generazione e assemblaggio di geni per numerose applicazioni di biologia sintetica".

Investitori e aziende a parte, noi nel pubblico in generale possiamo trarre grandi benefici da questi progressi nella sintesi del DNA enzimatico. Il "Santo Graal" di filamenti di DNA più lunghi ed economici (fino a 1000-1500 nucleotidi3) può essere utilizzato per produrre vaccini migliori in un lasso di tempo più breve. I progressi nella tecnologia CRISPR forniscono strumenti di editing genetico altamente precisi che possono essere utilizzati per alterare i geni in modelli vegetali, batteri e animali. Questa capacità può rivelarsi altamente efficace nell'identificare e implementare il trattamento per malattie come il cancro, l'Alzheimer, ecc. Infine, il DNA (come molecola ricca di dati) può essere potenzialmente utilizzato per codificare enormi quantità di informazioni come densi array di oligonucleotidi... in mente- sbalorditivo (livello di exabyte) importi. Sia il governo degli Stati Uniti (ad es. ARPA o "Advanced Research Projects Agency) che le aziende di consumo (ad es. Netflix o Google) hanno collaborato con biologi molecolari come mezzo per indagare su come i filamenti di DNA potrebbero essere utilizzati come supporto di memorizzazione durevole ed economico.

In conclusione, la sintesi enzimatica del DNA rappresenta un passo successivo estremamente prezioso per sfruttare il potere della replicazione del DNA e la nostra capacità di utilizzarlo per lo sviluppo di soluzioni biotecnologiche all'avanguardia. Per saperne di più sulla sintesi del DNA e sulle aziende che la utilizzano per rendere il pianeta un posto migliore, visitateci all'indirizzo Costruito con la biologia.

Grazie a voi Larry Upton per ulteriori ricerche e rapporti in questo articolo. Sono il fondatore di SynBioBeta e alcune delle aziende di cui scrivo sono sponsor del Conferenza SynBioBeta e il nostro digest settimanale.

Citazioni

1 Sandahl, AF, Nguyen, TJD, Hansen, RA et al. Sintesi a richiesta di fosforamiditi. Nat Comun 12, 2760 (2021).

NaturaSintesi on-demand di fosforamiditi – Comunicazioni della natura

2 Eisenstein, M. La sintesi enzimatica del DNA entra in una nuova fase. Nat Biotecnologie 38, 1113-1115 (2020).

NaturaLa sintesi enzimatica del DNA entra in una nuova fase: la biotecnologia della natura

3 Scrivere nel libro della vita: applicazioni in biologia e biomedicina. SinBioBeta (2018)

Costruito con la biologiaAssemblee molecolari: riscrivere la biologia sintetica con la sintesi enzimatica del DNA - Costruito con la biologia