新的合成生物学方法彻底改变了DNA克隆

自人类诞生以来，我们一直在修改和改变自然环境，以适应我们的需要，从驯化动植物到改变景观。安捷伦科技公司的杰夫·布拉曼博士和彼得·谢菲尔德博士利用合成生物学开发了一种组装DNA的新方法。他们的方法允许将独立的、经过功能测试的钝端DNA部件无缝组装成更复杂的设备，以及用于合成生物学和医疗技术的更高阶多设备系统。

合成生物学是一个多学科领域，结合了分子生物学、化学、计算机科学、工程学、生物物理学等原理。它的核心目标是利用生物技术帮助在医学(如新药和疫苗)、生物技术、生物能源、新材料和环境等领域找到创造性的解决方案和发展。合成生物学使科学家们能够更好地理解生命的组成部分是如何工作的，以及如何将它们作为机器加以利用。它就像一个基于生物学的“工具箱”，对研究和开发的影响是无穷无尽的。它允许设计和建造新的/改良的生物装置和系统(细胞/有机体)，以合成新的分子和改变现有的生物系统，以生产有价值的、有用的产品。这可能是新型人工酶(细胞的催化剂)或生化途径和遗传调节电路的构建。目前，合成系统已经被用于大规模生产胰岛素和抗癌药物等医用化合物。

合成生物学由四个原理组成。首先，如果我们真正理解了一个生物系统，那么我们应该能够从它的基本部分重建它。第二，如果我们操纵这些系统，我们就能更好地理解它们和生活的基本原则，也就有能力操纵和创造新的系统。第三个原则是，生命系统并没有为人类的理解而优化，而是“为了继续存在而进化”。因此，通过改造生命系统，我们有可能同时测试我们现有的知识，并创建更容易学习的新模型。例如，2016年，研究人员设计了一种具有最小基因组的合成生物体，该基因组减少到只有生命所需的基本基因。第四个，也是最后一个原则，是生物学可以作为一种技术来应用。

DNA测序和DNA合成技术的发展使合成生物学的发展成为可能。这两项技术使科学家能够以更低的成本和更快的速度读取和合成DNA。然而，到目前为止，第三种使能技术，分子克隆，还没有跟上DNA合成和DNA测序的技术进步。

一般来说，为了创造设备和系统，每个单独的部分(具有特定功能的DNA序列)必须插入到单个的质粒中，经过扩增和分离，才能与其他部分结合，制造出更高阶的设备。然后，通过将生产一种或多种蛋白质的多个设备拼接在一起，并将它们插入同一个细胞，就可以创建一个系统，比如生物合成途径。

合成生物学使科学家们能够更好地了解生命的组成部分是如何工作的以及如何制造
把它们当作机器来使用。

质粒可以包含多种信息部分，如一个或多个基因编码合成科学相关的蛋白质或基因突变版本。所有的质粒都包含一些重要的部分，比如复制的起始点(OR)，它指导细菌从哪里开始复制。几乎所有的质粒都包含一个选择标记(SM)，通常是一个对特定抗生素产生抗性的基因，只允许含有质粒的细菌存活。其他部分包括:启动子(P)，置于感兴趣基因(GOI)之前的DNA序列，指示细胞何时何地产生GOI;核糖体结合位点(RBS)，定义核糖体与RNA结合的位置(核糖体是读取RNA并将其翻译为蛋白质的细胞复合物);停止信号(告诉核糖体何时停止翻译);以及各种前(N)端和后(C)端蛋白标签。

编辑:杰弗里·卡尔·布拉曼博士，DOI: 10.1007/978-1-4939-7795-6, ISBN: 9781493977949•9781493977956(在线)，
系列:分子生物学方法，1772卷，施普林格，纽约。这本详细的书探索了与称为合成生物学的独特的科学分支有关的过多的技术和应用的一些。从事这一多学科研究领域的化学家、生物学家和工程师将在基因电路的创建和调控、生化途径的操作、基因组编辑和修改、创建基因组语言和计算以及分子组装方面受到指导。为高度成功的分子生物学方法系列，章节包括各自主题的介绍，必要的材料和试剂的清单，一步一步和易于复制的协议，加上故障排除技巧和如何避免陷阱的解释，这些文章都是由在同行评议期刊上发表过论文的专家撰写的。权威和实用，合成生物学:方法和协议提供了关键的指导和想法，进行自己的合成生物学项目。

OR、SM、GOI和P是质粒中可以使用的基本成分或部分。一旦制造了数千个质粒副本，研究人员就能够提取质粒分子，并将它们转移到他们选择的细胞中，无论是培养细胞、胚胎还是整个有机体。把细菌想象成一个生产质粒副本的工厂，而其他受体细胞则是质粒的加工者。

传统的克隆方法和最近发展的几种克隆方法依赖于使用各种限制性内切酶来获得所需的部分和设备，以便在质粒中创建系统。限制性内切酶(REs)识别特定的DNA序列并切割它们;这有点像用剪刀创造一个DNA拼图，每一个剪子都创造出一个独特的形状，所以最终的DNA片段只能用互补的形状组合在一起。在传统的分子克隆中，DNA片段(部分)是从刚刚被切割的片段中分离出来的，然后连接(粘合)成具有兼容末端的质粒。这意味着为了创造设备，实验设计必须考虑RE DNA识别序列。这些识别序列一定不能出现在感兴趣的部分，因为该部分也将被切割。因此，REs的选择是设计过程中的主要考虑因素。

SureVector代表了一套合成生物学工具，可以快速构建新的组合设备和系统，使研究团体能够比以往更快、更便宜、更有效地设计产品。

这个过程需要分层的二进制装配，也就是说，创建一个设备所需的部件是按顺序加在一起的。这使得整个过程费时费力，导致组合实验设计非常困难。

革命来了——SureVector
如前所述，传统的分子克隆方法很大程度上依赖于质粒的使用。安捷伦技术公司的杰夫·布拉曼和彼得·谢菲尔德开发了一种组装DNA部件的新方法，可以更快地组合创造设备和系统。他们制造了许多部分，用于制造质粒，使蛋白质在大肠杆菌、酵母和哺乳动物细胞中表达。这些部件每个都包含独特的30个碱基对(bp) DNA序列，以方便设备和最终系统的组装。这些序列是独一无二的，因为它们在任何在线DNA数据库中都找不到。通过在一个部件的末端和另一个部件的开始有相同的30bp，部件可以按照所需的顺序无缝组装(图1)。

与目前其他将部件转换为设备的方法相比，SureVector不需要使用res操作部件。相反，所有所需部件混合在一起，由于侧翼30 bp DNA序列的独特性，它们使用特定的酶混合物以正确的顺序组装。这种新方法的优点之一是能够以并行方式组装多个部件，“极大地简化并加快了设备和系统开发的优化”。在设计一个新系统时，不同部件和设备的顺序和安排会影响系统的效率。布拉曼博士和谢菲尔德博士在重建维生素B2的前体6,7-二甲基利比lumazine (DMRL)的四酶生物合成途径时证实了这一点。他们能够并行地创造一组不同部件组合的设备，然后用来生成系统。这些系统进行了生产DMRL的效率测试。在不到一周的时间里，Braman和Sheffield就能够确定几种设备组合，从而创建出最佳的DMRL生产系统(图2)。