DNA 由携带生命所需遗传指令的长分子链构成。在基因工程中，研究人员在精心选择的位置切割 DNA，并将这些片段与其他 DNA 序列连接起来。该过程支持广泛的应用，包括改进的作物育种、遗传疾病的治疗以及药物开发中使用的动物模型。为了高效连接短片段 DNA，科学家们依靠被称为粘性末端的突出序列。这些暴露的部分有助于 DNA 片段之间的结合。然而，生产合适的粘性末端需要在特定位置进行高精度的切割，这是现有技术并不总能很好处理的。日本的研究人员现在开发出一种利用银纳米颗粒在目标位置切割和重新连接 DNA 的方法。该技术所产生的 DNA 组装效率比传统限制酶方法的效率提高了两到五倍。研究结果发表在《核酸研究》杂志上。传统 DNA 组装的局限性 组装长 DNA 分子的标准方法通常使用限制酶进行切割，使用 T4 DNA 连接酶连接产生的片段。然而，限制酶只能识别和切割某些 DNA 序列。它们生成的粘性末端往往相对较短，这会降低结合过程的效率。为了寻找替代方案，名古屋大学的阿部浩教授和稻垣正人助理教授与岐阜大学的冈夏久教授合作，调查了是否可以使用化学反应在选定位置切割 DNA，而不是依赖限制酶。研究人员重新审视了1990年至1992年间首次报告的一个反应，其中银离子在特定位置切割3'-硫醇修饰的 DNA。他们测试了是否可以利用这一反应来创建有用的粘性末端。银离子在切割 DNA 方面效果显著，但它们还会非特异性结合并导致沉淀。因此，只有大约 14% 的 DNA 可以被回收，这对于实际应用来说太少了。银纳米颗粒改善 DNA 回收 该团队随后用银纳米颗粒替代了银离子。研究人员推测，纳米颗粒可以通过离心从反应混合物中分离，从而使后续回收 DNA 更加容易。初步实验发现，DNA裂解效率在 70°C 时达到了大约 50%，在 95°C 时达到了近 100%。然而，这些温度可能会损坏长 DNA 分子，为实际使用带来了另一个障碍。为了解决这个问题，研究人员用聚乙烯醇 (PEG) 对纳米颗粒进行了包覆，这是一种水溶性聚合物，以提高其稳定性和分散性。涂层将 DNA 裂解效率从无 PEG 时的 36% 提高到有 PEG 时在 37°C 下的 92%，持续 31 小时。稻垣，研究的第一作者表示：“最后，我们将条件优化到实用水平，在环境温度下，在50°C下，仅需一到两小时，即可实现 PEG 修饰的裂解效率超过 91%。” 纳米颗粒的方法还提供了另一个重要优势。多余的 DNA 片段保留在纳米颗粒表面，而包含粘性末端的所需片段则保留在溶液中。这一内置的纯化效果将最终的 DNA 回收率从 14% 提高到了 98%。更长的粘性末端促进 DNA 连接 银纳米颗粒还使研究人员能够生产具有 8 个碱基的粘性末端的 DNA 片段，而传统限制酶难以生成这些片段。当科学家们使用 T4 DNA 连接酶连接这些片段时，结合效率约为传统方法的两倍。随着突出部分的加长，改进甚至更大。使用 18 碱基的突出部分，研究人员达到了 44% 的结合效率。相比之下，传统的 4 碱基突出部分的效率仅为 8%，新方法的优势达到五倍。为了测试该方法是否能在实际生物环境中有效，团队组装了编码绿色荧光蛋白 (GFP) 的 DNA 片段。然后，他们将组装好的 DNA 引入人类 HeLa 细胞中。细胞成功表达了 GFP，确认 DNA 的组装是准确的。基因治疗和合成 DNA 的潜在用途 稻垣评论道：“我们相信，这项技术将可用于合成基因组 DNA，在癌症疫苗和基因治疗等领域有许多潜在应用，以及人工蛋白药物和基因作物的开发。”研究人员现在希望确定该技术是否可以超越一次只连接两个 DNA 片段的能力。他还解释了下一步：“我们已经证明了两个 DNA 片段可以连接。现在，我们需要确认是否可以在同一时间连接多个片段。”