Nature Biotechnology：大型镜像聚合酶实现镜像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。