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中合基因

铁虫 (初入文坛)


[交流] 重大突破!酶法合成破解生物法DNA合成原料“卡脖子”难题

在酶促DNA合成这一前沿领域,3’-ONH₂修饰的核苷三磷酸(3'-ONH₂-dNTPs) 扮演着“可逆终止子”的关键角色,是精准控制DNA链延伸的“开关”。然而,这类修饰核苷酸的制备,特别是嘌呤类型(如dATP和dGTP)的化学磷酸化,长期面临区域选择性差、步骤繁琐、使用有毒试剂等瓶颈,导致成本高昂、产率低下,严重制约了其工业化应用。

近期,天津科技大学与中合基因等团队合作在《Chem & Bio Engineering》上发表了一项突破性成果,成功开发出一条绿色、可放大、高产率的化学-酶法级联路线,首次实现了嘌呤型3'-ONH₂-dATP和3'-ONH₂-dGTP的高效合成。更重要的是,该产物在酶促DNA合成应用中2表现优异,120nt单步准确率为99.7%。

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“化学修饰 + 酶促磷酸化”的级联策略



为提高3'-ONH₂-dNTPs合成效率,研究团队设计了“化学修饰 + 酶促磷酸化”的级联策略:首先,在商业化dA和dG上引入氨基烷氧基,分别以24.9%和27.3%的收率获得3'-ONH₂-dA和3'-ONH₂-dG;其次,利用激酶实现修饰核苷磷酸化;最终,引入SmPPK2,建立ATP/3'-ONH₂-dATP再生循环,减少昂贵底物的初始投入量。

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核心突破:从“化学困境”到“酶法通途”



获得3'-ONH₂-dA和3'-ONH₂-dG为级联反应奠定了基础,然而,真正的挑战在于后续的磷酸化——天然激酶对带有大体积3'-ONH₂修饰的核苷“不认”,催化活性极低。为此,团队采用了结构指导的半理性设计策略,对两种关键磷酸化酶进行了精准的活性空腔改造。

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第一把钥匙:Dm-dNK的活性空腔扩容



针对3'-ONH₂-dG底物的位阻问题,团队对果蝇来源的脱氧核糖核苷激酶(Dm-dNK)活性口袋内的16个关键残基进行了定点饱和突变。其中,M88G突变将活性空腔体积从132 ų扩大至195 ų,使得3'-ONH₂-dG的单磷酸化转化率从野生型的26%飙升至97.8%——提升超过3倍。动力学分析进一步证实,M88G突变体的催化效率(k_cat/K_m)达2.178×10⁴ M⁻¹·s⁻¹,较野生型(1.955×10³ M⁻¹·s⁻¹)提升了逾10倍。200ns分子动力学模拟揭示,该突变通过减少位阻、增强底物与Glu52、Glu171等残基的氢键网络以及稳定与Phe80/Phe114的π-π堆积相互作用,显著提升了底物结合稳定性。

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第二把钥匙:MrPPK2的底物谱拓展



与Dm-dNK类似,MrPPK2对3'-ONH₂-dGMP也几乎无催化活性。通过对活性口袋内14个残基的饱和突变筛选,团队发现D127G突变是关键突破——该突变将天冬氨酸替换为甘氨酸,有效缓解了活性中心的位阻。突变体实现了3'-ONH₂-dGMP向三磷酸形式59.9%的转化率,而野生型几乎无活性。动力学数据显示,D127G突变体对3'-ONH₂-dGMP的单磷酸化催化效率达1.74×10⁶ M⁻¹·s⁻¹,双磷酸化(生成三磷酸)效率为1.16×10⁵ M⁻¹·s⁻¹。MD模拟表明,D127G突变增强了底物与Arg182、Lys191等残基的稳定氢键网络,整体结构稳定性显著提升。

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级联整合:一锅法实现高效三磷酸合成



团队将改造后的Dm-dNK(M88G)和MrPPK2(D127G)与SmPPK2(用于ATP/3'-ONH₂-dATP再生循环)整合,构建了一个三酶级联反应体系。该设计通过SmPPK2建立ATP和3'-ONH₂-dATP的再生循环,不仅降低了高能磷酸供体的初始投入成本,还减少了过量核苷酸杂质对后续分离纯化的干扰。在30 mL制备规模上,实现纯度3'-ONH₂-dATP和的3'-ONH₂-dGTP生产制备,产物结构经LC-MS、UPLC和NMR全方面验证,最终纯度分别为97%、85.1%。



应用验证:性能媲美商业化产品



更重要的是,自产修饰核苷酸在单核苷酸掺入和长链DNA合成方面均表现优异。这一功能验证充分证明,酶法合成的产物完全满足高保真酶促DNA合成的应用需求。

- 单核苷酸掺入:使用16种不同引物链,比较自制产物与商业品在TdT催化下的掺入效率,PAGE结果显示两者无差异。

- 120 nt长链合成:用自制3'-ONH₂-dATP/dGTP替换商业品,合成120个核苷酸的单链DNA,单步准确率为99.70%,对照组为99.69%,无统计学差异。

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总结与展望



这是首次报道嘌呤型3'-ONH₂-dNTPs的化学-酶法合成。与传统化学磷酸化路线相比,本方法具有三大显著优势:

1,绿色环保:摒弃了磷酰氯、三苯基膦等有毒试剂,大幅减少含磷和有机废弃物(传统方法每克产品产生数百克废物);

2,步骤精简:无需繁琐的保护-脱保护操作,一锅法级联反应大幅简化工艺流程;

3,可放大生产:30 mL规模的制备验证证明了该路线的工业化潜力。

该策略为酶促DNA合成关键原料修饰核苷酸的规模化制备提供了一种绿色、可放大的替代方案,有望解决化学法合成原料产量低、成本高的瓶颈问题,也为DNA数据存储、基因合成和精准医疗等下游技术扫清了原料供应障碍,助力相关技术及产品的快速推广应用。

重大突破!酶法合成破解生物法DNA合成原料“卡脖子”难题


重大突破!酶法合成破解生物法DNA合成原料“卡脖子”难题-1


重大突破!酶法合成破解生物法DNA合成原料“卡脖子”难题-2


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2026-08-26 16:15   回复  
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2026-08-26 17:14   回复  
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psylhh4楼
2026-08-26 18:11   回复  
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2026-08-26 21:27   回复  
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ckxbear6楼
2026-08-27 20:58   回复  
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