科學家合成大型鏡像聚合酶 實現(xiàn)鏡像DNA信息存儲

　　人類社會高速發(fā)展產生的海量信息使傳統(tǒng)磁、光介質的信息存儲能力受到巨大挑戰(zhàn)。DNA因具有信息存儲密度高、保存時間長等優(yōu)點，有望成為新一代信息存儲介質。

　　清華大學生命學院教授朱聽團隊通過近5年的研究探索，全化學合成了分子量達90 kDa的大型鏡像蛋白質：Pfu DNA聚合酶，利用該高保真鏡像聚合酶組裝出千堿基長度的長鏈鏡像DNA，并開發(fā)了基于鏡像DNA的信息存儲技術。相關研究成果于7月29日發(fā)表在《自然-生物技術》雜志。 

　　當前，DNA信息存儲技術均以天然DNA為介質，但其極易被自然環(huán)境中的微生物及核酸酶降解，且不利于在開放環(huán)境中長時間穩(wěn)定存放。與天然DNA手性相反的鏡像DNA不僅具有相同的高信息存儲密度，還具有獨特的生物正交性，不易被微生物及核酸酶降解。

　　如人的左手與右手互為鏡像對稱關系、無法完全重疊一樣，自然界中一些分子也具有與其鏡像對映體不能重合的特征，這一特征被稱為“手性”，這類分子被稱為“手性分子”。核糖與氨基酸均為手性分子，因此其構成的核酸與蛋白質等生物大分子均具有手性，且構成生命體的核酸和蛋白質的手性是均一的，即天然核酸皆由D型（右旋）核糖組成，天然蛋白質幾乎皆由L型（左旋）氨基酸組成。

　　與天然DNA信息存儲技術相同，鏡像DNA信息存儲技術主要包括信息的“寫入”與“讀取”兩個過程，需要高保真鏡像DNA聚合酶來幫助實現(xiàn)。然而，受限于已有的蛋白質與核酸化學合成技術，分子量在50 kDa以上的大型鏡像蛋白質和長度在150 bp以上的長鏈鏡像DNA的有效合成一直未能實現(xiàn)，長期制約著鏡像生物學領域的發(fā)展及該系統(tǒng)的實際應用。

　　研究者提出利用分割蛋白質設計輔助合成的策略，突破了全化學合成對蛋白質大小的限制，獲得了目前已報道最大的全化學合成蛋白質，研究者還利用該高保真鏡像聚合酶組裝出長達1.5 kb的鏡像16S核糖體RNA基因，為目前已報道最長的鏡像DNA。研究者首次使用的大型鏡像蛋白質全化學合成策略及千堿基長度鏡像基因的組裝技術，解決了長期制約鏡像生物學領域發(fā)展的大型鏡像生物分子的制備難題，為后續(xù)構建鏡像蛋白質翻譯系統(tǒng)以實現(xiàn)完整的鏡像中心法則及拓展鏡像生物學系統(tǒng)的實際應用奠定了基礎。

　　研究者開發(fā)了基于鏡像硫代磷酸DNA的鏡像DNA邊合成邊測序技術，新技術在測序讀長、準確性、可操作性等方面都具有明顯優(yōu)勢。研究者將巴斯德于1860年首次提出“鏡像生物學世界”這一概念的文字轉換為堿基序列寫入鏡像DNA文庫中，并從鏡像DNA中準確讀取了該文本信息，從而實現(xiàn)了鏡像DNA信息存儲。研究者還開發(fā)了基于鏡像DNA的信息隱寫技術，可以有效提高DNA所攜帶信息的保密性，為鏡像生物學系統(tǒng)在信息安全領域的應用提供了新的思路。

　　朱聽介紹，團隊致力于從遺傳信息中心法則出發(fā)，利用化學、生物學等多學科手段構建與天然生物分子手性相反的“鏡像生物學系統(tǒng)”。至今，該課題組已初步實現(xiàn)了鏡像中心法則中的鏡像核酸復制、轉錄、反轉錄等過程，開發(fā)了鏡像PCR、鏡像核酸測序等技術，目前正在著力構建鏡像蛋白質翻譯系統(tǒng)以實現(xiàn)完整的鏡像中心法則，并嘗試拓展鏡像生物學系統(tǒng)的實際應用。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41587-021-00969-6