رشته سریع‌الرشد بیولوژی سنتتیک، که در آن موجودات زنده مهندسی می‌شوند تا به کار‌هایی نظیر تجزیه پلاستیک و ساخت سوخت زیستی و دارو‌ها بپردازند، تولید توالی‌های دلخواه DNA یک ابزار اساسی برای کشف پدیده‌های علمی است. فرآیند تولید DNA، که عملاً برای بیش از ۴۰ سال بدون تغییر باقی مانده بود، هنوز آهسته و غیر قابل اعتماد است.
محققان در بخش انرژی انستیتو مشترک بیوانرژی، بیان کردند که راه جدیدی را برای تولید توالی‌های DNA، بنا نهاده‌اند، که با استفاده خلاقانه از آنزیم‌ها، انتظار می رود که سریع‌تر، ارزان‌تر و دقیق‌تر باشد. یک توالی DNA از ترکیب چهار باز شیمیایی ساخته شده است که با حروف A، C، T و G نشان داده می‌شوند.
آرلو، یکی از پژوهشگران در این مطالعه، در خصوص طرح مسئله توضیح می‌دهد: «شما به معنای واقعی کلمه توالی را در یک سایت مطالعاتی کپی کرده، سپس برای مشاهده نتیجه دو هفته صبر می‌کنید. بگذارید اینطور بگویم، از ۱۰ ژنی که شما می‌خرید، احتمالاً ۹ تای آنها به موقع به دست شما می رسد. اگر شما بخواهید هزار ژن را آزمایش کنید، یه ازای ۳۰۰ دلار برای هر ژن، هزینه‌ها به سرعت نور افزایش می‌یایند.»
همچنین پالوک، دستیار وی بیان می‌کند: «DNA یک مولکول زیستی بسیار بزرگ است. طبیعت، مولکول‌های زیستی را وادار به استفاده از آنزیم‌ها می‌کند و این آنزیم‌ها هستند که بطور حیرت‌انگیزی در نگهداری و کپی کردن DNA عالی عمل می کنند. ایده استفاده از آنزیم برای تولید DNA جدید نیست و دانشمندان چندین دهه تلاش کردند تا راهی برای انجام آن پیدا کنند، اما موفق نشدند.»
آنزیم انتخاب شده TdT یا انتقال‌دهنده دئوکسی‌نوکلئوتیدیل انتهایی terminal deoxynucleotidyl transferase نام دارد، که در سیستم ایمنی مهره‌داران یافت می‌شود و یکی از معدود آنزیم‌ها در طبیعت است که DNA را به جای کپی کردن، از روی پیش‌نویس می نویسد. بیشتر آنکه، این آنزیم سریع است و توانایی اضافه کردن ۲۰۰ باز در دقیقه را دارد.
با توجه به سخت بودن ساخت یک توالی دلخواه و از پیش تعیین شده با TdT، التزام کلیدی این است که بتوان این آنزیم را مجبور کرد تا تنها یک نوکلئوتید اضافه کند. به عبارتی دیگر، باید بتوانیم ساخت DNA را بلوکه کنیم تا به سرعت متوقف شود، قبل از آنکه نوکلئوتیدهای مشابه را مکرراً انجام دهد. تمامی پروپوزال‌های پیشین، استفاده از نوکلئوتیدهای اصلاح شده با گروه‌های بلوکه کننده خاص را برای جلوگیری از اضافه شدن چندگانه پیش بینی کرده بودند.
با این حال، مشکل اینجاست که جایگاه فعال آنزیم آنقدر بزرگ نیست که نوکلئوتیدی با گروه بلوکه کننده متصل به آن را بپذیرد. آرلو معتقد است: «دیگران اساساً سعی کرده اند که با کمک جهش، چاله‌ای در آنزیم حفر کنند، تا جایی برای این گروه بلوکه کننده باز شود. این کار درحقیقت با حقه زدن به آنزیم همراه است، چرا که شما نیاز دارید که فضایی برای آن باز کنید اما همچنان تغییری در عملکرد آنزیم ایجاد نشود.»
سرانجام آرلو نتیجه می‌گیرد: «به جای تلاش برای ایجاد حفره در آنزیم، آنچه که ما انجام دادیم متصل کردن یک نوکلئوتید به هر آنزیم TdT با یک پیوند دهنده قابل جدا شدن بود. در این صورت، پس از بسط دادن مولکول DNA با نوکلئوتید متصل با آنزیم، این آنزیم نوکلئوتید دیگری برای اضافه کردن ندارد، لذا متوقف می شود. مزیت کلیدی این رویکرد این است که ستون فقرات DNA یعنی جایی که درحقیقت واکنش‌های شیمیایی را انجام می‌دهد، درست شبیه DNA طبیعی است، لذا می توانیم از تمام سرعت آنزیم بهره‌مند شویم.»
ترجمه: آزاده داودی
منبع: Nature Biotechnology
