ザ・ロング・アンド・ワインディング・ロード:オン

Jan 26, 2024

ベンチトップ DNA プリンターからカスタム合成までのサービスを通じたこれらの技術の商業化のおかげで、DNA 書き込み技術へのアクセスしやすさが高まっています

クレジット: CIPhotos/Stock/Getty Images Plus

DNA 合成の状態は、人類の月への旅に似ています。以前に何かが達成されたからといって、それをより良く行う方法を考えるのをやめるべきだというわけではありません。」

長い間合成 DNA サービスを提供してきたリボン バイオラブズの CEO 兼創設者であるハロルド P. デ ヴラダール氏は、DNA 合成分野に大きなチャンスがあるとこのように見ています。 de Vladar は、アポロ 11 号の月面着陸と同等の DNA 合成は、オリゴヌクレオチドとして知られる市販の合成 DNA の短い一本鎖から 5386 bp のバクテリオファージ ΦX174 を組み立てるクレイグ ベンターの画期的な研究であったと述べています。1 ベンターと J. クレイグ研究所の彼のチームヴェンター研究所は、2000 年代初頭にヒトゲノムの配列が決定された直後の 2002 ～ 2003 年に、ポリメラーゼ サイクル アセンブリ 2 と呼ばれるポリメラーゼ連鎖反応 (PCR) の適応を使用して ΦX174 ゲノムを構築しました。

この問題は数年前までまだ存在していました。 「私がまだ研究者だった頃、約 4000 bp の小さなファージ ゲノムのライブラリーを合成したいと考え、長い DNA を作るという問題に直面しましたが、それは不可能なプロジェクトでした。 250 ほどのシーケンスが欲しかったのですが、これは達成できませんでした」とデ・ヴラダール氏は語った。

約 10 年前、デ ヴラダール氏は、Twist Bioscience という会社がニュースに登場し始めていることに気づきました。 彼は、人々が依然として長い DNA の合成に興味を持っていることに気づきました。 「表面的には、DNA 合成は解決されたように見えましたが、配列決定のための塩基あたりのコストがどのように低下​​したかなど、詳細を調べ始めると、これは解決にはほど遠いことがわかります。」（ボックス 1）。

配列決定のコストは、ムーアの法則を上回るペースで過去 10 ～ 15 年間に急落しました。 ヒトゲノム配列のコストは、2007 年の推定 100 万ドルから 2014 年には 1000 ドルまで減少し、現在では 100 ドルに近づいており、Illumina NovaSeq X シリーズと Ultima Genomics UG100 では、ゲノムあたりのコストがそれぞれ 200 ドルと 100 ドルとなっています。 しかし、カスタム DNA 合成の手頃な価格は追いついておらず、コストは依然として比較的高いままです。 過去数年間、遺伝子合成コストは、最新の次世代シーケンス ツールが提供するギガベースあたり 1 ～ 2 ドル未満ではなく、bp あたり 0.01 ドルに低下するという一般的な傾向がありました。7

2018年、デ・ヴラダール氏はオーストリアのウィーンでリボン・バイオラボを立ち上げた。 DNA 合成会社は 1 kb の断片を 1 日で確実に構築でき、それを組み立てて 10 ～ 20 kb のより大きな分子にすることができます。 これを行うために、Ribbon はアルゴリズムによって配列を小さな断片に処理し、決定ツリーに分類して、自動アセンブリに適した 10 マーおよび 12 マーのオリゴ (約 80,000 個のオリゴのバイオバンクから) の最適な組み合わせを特定します。 この小規模企業 (従業員数わずか数十人) の場合、シーケンス ベースの検証と納品を含む実際の所要時間は 3 日程度です。 de Vladar とリボン バイオラボの目標は、遺伝子合成をライブラリー アプローチから 1 日あたり 1000 kb までスケールアップすることです。

酵素とアセンブリ標準を改善することにより、1 つのステップで結合できる DNA 分子の精度と数が向上しました。 過去 10 年間に、Gibson Assembly3 を含む強力な新しい DNA アセンブリ手法が多数開発されました。 これらのアセンブリ方法は、最小限の細菌ゲノム 4 および合成酵母染色体の構築に適用されています。

DNA 合成へのアセンブリアプローチにはいくつかの欠点があります。合成オリゴヌクレオチドの不純物によって損なわれる可能性があること、個々のクローンからの配列確認にこの方法が依存していること、構築されたデータをコピーするために使用する必要がある高忠実度の校正 PCR 酵素に依存していることです。増幅中の突然変異を防ぐ遺伝子。

リボン バイオラボの段階的アプローチは、合成される分子の物理的サイズによって制限されます。 「20～40 kbのDNAは非常に複雑な分子です」とデ・ヴラダール氏は言う。 「反応はもうそれほど効率的ではありません。 しかし、それは問題の最悪のことでさえありません。長い DNA 分子は純粋な力によって壊れます。 アセンブリ自体は問題ではありません。 それはDNA分子の操作です。 これは私たちも解決しようとしている問題であり、研究開発中にいくつかのアイデアがあります。 しかし、ボタンを押すだけで 30 kb が印刷されるわけではありません。」