Nature Biotechnology:大型镜像聚合酶实现镜像DNA信息存储

【字体: 时间:2021年08月10日 来源:国家自然科学基金委员会

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  清华大学生命科学学院朱听课题组在镜像生物学领域取得新进展,全化学合成了具有完整功能的90 kDa高保真镜像PfuDNA聚合酶,并实现了镜像DNA信息存储。

  

 


 

图1(A)高保真镜像PfuDNA聚合酶;(B)镜像DNA信息存储

  在国家自然科学基金项目(批准号:32050178、21925702、21750005)等资助下,清华大学生命科学学院朱听课题组在镜像生物学领域取得新进展,全化学合成了具有完整功能的90 kDa高保真镜像PfuDNA聚合酶,并实现了镜像DNA信息存储。相关研究成果以“利用高保真镜像Pfu DNA聚合酶实现生物正交的镜像DNA信息存储(Bioorthogonal information storage in L-DNA with a high-fidelity mirror-image Pfu DNA polymerase)”为题,于2021年7月29日在学术期刊《自然-生物技术》(Nature Biotechnology)发表。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41587-021-00969-6。

  DNA因具有信息存储密度高、保存时间长等优点,有望成为新一代信息存储介质。目前,DNA信息存储技术均以天然DNA为介质,而天然DNA极易被自然环境中的微生物及核酸酶降解,不利于在开放环境中长时间稳定存放。与天然DNA手性相反的镜像DNA不仅具有相同的高信息存储密度,还具有独特的生物正交性,不易被微生物及核酸酶降解。与天然DNA信息存储技术相同,镜像DNA信息存储技术主要包括信息的“写入”与“读取”两个过程,需要高保真镜像DNA聚合酶来帮助实现。然而,受限于已有的蛋白质与核酸化学合成技术,分子量在50 kDa以上的大型镜像蛋白质和长度在150 bp以上的长链镜像DNA的有效合成一直未能实现,长期制约着镜像生物学领域的发展及该系统的实际应用。

  朱听课题组提出利用分割蛋白质设计辅助合成的策略,将全长为775个氨基酸的PfuDNA聚合酶分割为长度为467个氨基酸和308个氨基酸的两个片段分别合成,将其混合后共同复性,使其正确折叠为具有完整功能的90 kDa高保真镜像PfuDNA聚合酶,为目前已报道最大的全化学合成蛋白质;研究者还利用该高保真镜像聚合酶组装出长达1.5kb的镜像16S核糖体RNA基因,为目前已报道最长的镜像DNA。研究者将巴斯德于1860年首次提出“镜像生物学世界”这一概念的文字转换为碱基序列写入镜像DNA文库中,并从镜像DNA中准确读取了该文本信息,从而实现了镜像DNA信息存储。研究者还利用环境水样进行了生物正交性实验,结果表明携带采样地点信息的镜像DNA在清华园的荷塘水样中存放一年后仍能被有效扩增,且其携带的信息仍能被准确读取。此外,研究者还进一步开发了基于镜像DNA的信息隐写技术:将加密信息的密钥写入镜像DNA并混入天然DNA文库,只有使用镜像DNA扩增与测序技术才能读取镜像DNA中的正确密钥并解码加密信息,有效提高了DNA所携带信息的保密性,为镜像生物学系统在信息安全领域的应用提供了新的思路。

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