DeepTech深科技 09-05
DNA合成技术如何在药物开发中发挥作用?
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The following article is from 生辉 Author Candy

从生物医药到农业生产,从食品加工到材料工程,从环保节能到国防资源,合成生物学在众多领域都具备颠覆性潜力。而合成生物学最终目的的实现离不开基因序列的重写或改造。因此,DNA 合成技术便是合成生物学的灵魂。

在过去的十年中,DNA 测序能力显著提升,同时 CRISPR 等基因组编辑工具也取得了重大进展。然而,DNA 合成技术却迟迟没有赶上。

DNA 合成现有的主要化学方法——亚磷酰胺法最早建立于 1980 年。它依赖于一个一个的单个核苷酸连接构建成一个完整的 DNA 链。

然而,其固有的错误掺入率将合成的有用长度限制在大约 200-300 个核苷酸,DNA 组装又需要消耗大量时间,合成后的质量也要严格把控。同时还可能存在合成重复序列和富含 GC 序列的情况,这些序列倾向于形成二级结构,因此具有相当大的挑战性。

酶促 DNA 合成方法也在开发中,但这些技术的效率和准确性仍然是悬而未决的问题,特别是对于长度超过 300 个核苷酸的序列。

改进的硅芯片技术有可能推动新一代合成器的发展。

图 | 硅芯片技术的发展催生了新一代 DNA 合成仪(来源:GEN)

借助这项技术,一个芯片可以集成多达 10,000 个独立控制的 " 像素 "( thermal pixels),每个 " 像素 "( thermal pixels)都可以作为化学或酶促 DNA 合成的反应位点。然后以高度平行的方式控制芯片表面上成千上万个独立控制的反应位点的 DNA 合成。合成后,在识别和消除错误的过程中,将链在芯片上组装成双链 DNA,从而使准确性、规模和速度比传统方法好几个数量级。" 像素 " 的热控制允许合成方法从现有的酸脱保护方法更新为新的热不稳定保护基团。

与当前技术相比," 热 " 芯片( thermal chip)技术有望通过将合成序列的长度扩展到数千个核苷酸来将保真度提高几个数量级。此外," 热 " 芯片(  thermal   chip)技术可以使合成器以独特的方式提供无错误的双链 DNA,显著减少合成后质检和纯化所需的时间。

较长 DNA 序列的合成和组装通常涉及专门的设备和较高的成本。因此,大部分工作都会外包给可集中处理的公司,控制权会从科学家手中脱离。现在,这项工作可以使用基于 " 热 " 芯片( thermal pixels)技术的定序器在内部直接完成。

这项技术将作为一种 "即插即用" 的小型桌面仪器应用于实验室,它将以前所未有的精确度、规模和速度合成 DNA。

新一代的 DNA 合成仪有望扩大到包括台式 PCR 热循环仪和 DNA 测序仪,在药物发现和开发中有几个领域,新的合成技术将产生直接的、深远的影响。

重组单克隆抗体

单克隆抗体是一种目前比较受青睐的药物开发方式,因为它们具有很高的抗原结合特异性并且相对容易制造。自 1986 年第一个单克隆抗体疗法被 FDA 批准以来,治疗性抗体的市场已成倍增长,超过 1000 亿美元。今天,抗体几乎占所有生物制药的 80% 以上,并且治疗范围涵盖了广泛的疾病领域,包括肿瘤、免疫性疾病和传染病等。

重组抗体技术显著提高了抗体制备的质量和范围,使抗体和具有特异性、反应性、同型的抗体片段以及片段构象得以工程化生产。大规模并行合成数千个单独的合成 DNA 序列,有可能通过生成合理设计、密码子优化的抗体库,从而进一步彻底改变抗体的发现和工程化生产,其变体比传统方法多 2 到 10 倍。

按需获取 3-4 kb 的高精度合成 DNA 序列,将使研究人员有更大的空间来设计新的结构和特异性,一旦确定了其可能的治疗价值,就可以快速生成高度多样化的抗体库且具有高效的优化周期。

合成 DNA 还扩展了可变序列的可能范围,超出了来自人类或动物捐赠库中所能找到的范围。这通过创建难以与常规小分子(例如 G 蛋白偶联受体)结合的目标抗体,为 " 不可成药 " 靶点的针对性药物提供了新途径。

生物分子疗法

合成 DNA 技术扩展了开发改进的或全新的生物分子疗法的可能性,包括酶、肽、RNA 催化剂以及 DNA 和 RNA 适体。

按需 DNA 合成可以通过快速生成基因编码的新型肽库来帮助药物发现,特别是用于解决具有挑战性的问题,例如蛋白质 - 蛋白质相互作用。DNA 合成技术应用在另一种需要大规模生成 DNA 的技术—— DNA 条形码技术中,也使得序列分辨与反卷积变得简单。

计算生物学的最新进展,例如 DeepMind 的 AlphaFold,扩展了基于初级氨基酸序列预测蛋白质结构的能力,为具有药理学理想特性的新型生物分子的设计提供了信息。将合理的分子设计与序列可知的高通量 DNA 合成相结合,将引起治疗酶或其他生物活性蛋白质的快速迭代和进化。

应用快速合成重复 DNA 序列很重要的另一个领域是 DNA 和 RNA 适配体的开发。适配体有时也称为 " 化学抗体 ",是 20-60 个核苷酸的寡聚体,可以高度特异性地结合从无机分子到大分子复合物甚至全细胞的一系列靶点,并具有显著的诊断和治疗潜力。

适体开发始于合成寡核苷酸的多样化资料库,这些资料库经过多轮进化和结合特性选择 。因此,获得快速的高通量按需 DNA 合成将大大加快适体筛选和优化的过程。

疫苗

许多类型的疫苗的开发都需要合成 DNA,包括 DNA、mRNA 和病毒载体疫苗。

正如 COVID-19 大流行所表现的那样,在开发新型疫苗以应对疫情和不断演变的变异毒株时,速度至关重要。快速按需 DNA 合成与新一代疫苗平台技术相结合,可以在几天内就从新型病原体的基因序列数据到构建出一系列候选疫苗。

尽管 mRNA 和病毒载体疫苗因其在大流行中的作用备受关注,但由于最近在递送、免疫原性和序列优化方面的突破,人们重新对 DNA 疫苗产生了兴趣。此外,DNA 疫苗高度稳定,无需冷链运输和储存,并且比 mRNA 或病毒疫苗更容易制造。

DNA 疫苗目前不仅在 COVID-19 和一些其他传染病中正在进行试验,而且通过开发合成 DNA 疫苗来触发针对每个患者疾病中表达的独特新抗原量身定制的免疫反应,在肿瘤学方面也有重大机遇。尽管过去由于合成完整质粒的挑战,完全合成新型疫苗的开发受到限制,但产生高精度的大规模合成 DNA 的技术将为个性化癌症免疫治疗开辟令人兴奋的新可能性。

合成 DNA 在药物开发中有着广泛的应用,从 DNA 库构建到新型生物制剂、疫苗等。然而,它的使用受到缓慢、集中的服务以及较长序列缺乏准确性的阻碍。新一代 DNA 合成仪将带来前所未有的准确性、规模和速度,可以使这项技术的使用大众化,并实现合成 DNA 在加速未来药物开发方面的全部承诺。

参考资料:

https://www.genengnews.com/commentary/point-of-view/synthetic-dna-in-drug-discovery-and-development/

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