合成生物学家是生物学的计算机程序员。他们的代码?脱氧核糖核酸。

整个企业听起来很奇妙：你将一段新的DNA代码片段 - 以A，T，C，G字母链的形式 - 插入生物体中，并且bam!突然之间，你就会产生可以制造抗疟疾药物或细胞的细菌，可以解决像计算机这样复杂的逻辑问题。

除了它不是那么简单。合成生物学的基础是DNA，通常是许多基因形式的DNA。从头开始制作平均基因需要数百美元和数周的时间。想象一下程序员需要花一个月的时间来输入新的代码，你很可能会理解合成生物学家的挫败感。

现在，7月号Nature Biotechnology上发表的一种新方法有望以更快，更便宜，更准确的方法彻底改变DNA合成。从大自然中汲取灵感，加州大学伯克利分校的一个团队破解了几十年前的谜题，让他们能够利用TdT的超级大国，TdT是我们自己身体内专门制造基因的蛋白质。

新技术非常简单，无毒，团队认为它可以为科学家(甚至生物黑客)带来“DNA打印机”，类似于今天研讨会上提供的3D打印机。

“如果您是研究人员或生物工程师，并且您拥有简化DNA合成的仪器，那么'DNA打印机'，您可以更快地测试您的想法并尝试更多新想法。我认为这将导致大量的创新，”说研究报告的作者丹Arlow。

“这是未来。这将是巨大的，“乔治教会博士说，他是哈佛大学的先驱遗传学家和合成生物学家，没有参与这项研究。Church正在领导一个名为GP-WRITE的大规模DNA合成项目，旨在建立能够抵抗各种疾病(包括感染和衰老)的“超级英雄”细胞。

如果进一步优化，新方法可以推动GP-WRITE朝着它的目标前进，并彻底改变我们从头开始构建新基因组 - 或许可能是生物体的能力。

DNA蓝调

今天最流行的DNA合成方法是一种近40年的传统技术，它植根于有机化学。该方法采用DNA的四个字母，并使用混合有毒化学物质将它们一个接一个地混合在一起。每个字母需要三分钟才能添加，并且容易出错。令合成生物学家恼火的是，定制的DNA链通常只会出现200个字母，而不会出现太多的错误 - 通常存在于基因中的数千个字母中的一小部分。

相比之下，我们的身体每秒可以增加1000个字母，几乎没有错误。由于有多种称为聚合酶的DNA构建体，我们的细胞使用单链DNA作为模板，并有效地制备了一条互补的新链 - 用A代替T，用C代替G，反之亦然。

早在20世纪60年代，科学家就梦想着利用聚合酶来简化DNA合成。他们甚至磨练了一个特定的候选人：TdT，与其兄弟不同，他将DNA字母附加到现有的链条上，而不需要每分钟200个字母的模板。

TdT的创造潜力来自其自然角色。聚合酶编写了制造抗体的基因的新变异，这有助于我们的身体在没有经验的情况下识别新入侵者。

但有一个问题：这种酶是一张外卡，因为它随机附着DNA字母。这显然不适用于需要特定基因序列的科学家。

更重要的是，这种酶非常挑剔。通常，科学家会略微修改每个DNA字母的化学结构，以便一次添加一个。TdT并不热衷于使用这些修改后的字母。例如，一个系统需要大约一个小时才能添加一个字母 - 这个字母太慢而无法实际使用。

科学家们还试图在TdT中“挖洞”，以便更好地抓住修改后的DNA字母。该方法也失败了：修改酶同时保留其活性比预期困难得多。

多年来，科学家一直难以理解如何说服酶一次添加一个指定的字母。

这就是伯克利团队的成员。

箱子外面

获胜的技巧是将每个DNA字母直接连接到酶上。

该团队从四个独立的DNA字母池开始。这些字母完全溶解在水中。每一个都通过可被破坏的化学链松散地附着在TdT的副本上。

当添加DNA字母时，酶基本上将每个字母拖到DNA链上。这是一个聪明的部分：因为这个字母与笨重的TdT相连，所以酶本身会自然阻止其他字母加入，这仅仅是因为没有其他TdT-DNA字母组合与DNA链反应的空间。

为了进一步延伸链条，研究小组捞出产品并剪断系绳以释放酶并暴露DNA链的尾端。该连锁店现已准备好进行另一轮补充。

这个想法是违反直觉的，因为科学家经常保留酶。但该研究指导的Jay Keasling博士解释说，TdT便宜且易于使用细菌。

“而不是重新使用酶作为催化剂”，这是之前所有尝试的尝试，他说，“[我们认为]让我们把它扔掉。”

在概念验证试验中，该团队使用修改后的TdT手动制作了10个字母的DNA链。速度惊人：他们可以在10到20秒内添加一个新的DNA字母 - 大约比当前方法快18倍。

尽管剪切步骤仍然需要大约一分钟，这在合成长DNA链时会增加，但就快速性而言，与传统方法相比，新技术在顶部出现。而不是几个星期，从头开始制造新基因可能只需要一天。

“这种方法的一个关键优势是DNA的骨架 - 实际上发生化学反应的部分 - 就像天然DNA一样，因此我们可以尝试从酶中获得全速，”Arlow解释道。

天然DNA合成

在他们的DNA构建方法使其成为主流之前，团队仍然需要进行一些调整。

部分原因是准确性。到目前为止，经过数十年的微调，传统的DNA合成每步的准确度达到99.5%。伯克利团队的方法大约为98% - 这是一个微小的差异，然而在数千轮中累计。

“对于这个50多岁的问题，第一次采取行动并不算太糟糕，”Arlow说，并补充说目标是使其达到99.9%，以制造超过1,000个字母的基因长度的DNA链。 。

“我们认为我们很快就能赶上并相信我们可以推动该系统远远超出目前化学合成的限制，”研究作者Sebastian Palluk说。“我们的梦想是直接合成基因长度序列，并在几天内将它们送给研究人员。”

“这真是一个有着新颖想法的首批大门之一，”Church说。聪明的黑客可能正是革命合成生物学创造新基因和新生物的希望所需要的。将大量数据存储在DNA中的梦想也是可能的。