中研院全球獨家 找出DNA定序新方法

好醫師新聞網記者吳建良/台北報導

圖:研究團隊由(左至右)陳道田博士、紀宏文博士、李鍾熙董事長、蔡道明院士、吳文晉副研究員、蔡廷岳博士

由中央研究院生物化學研究所特聘研究員蔡明道院士所主持的產「臺灣蛋白質計畫(Taiwan Protein Project, TPP)」,獲得重大突破。該計畫近期與體學生物科技股份有限公司合作,提出用DNA聚合酶啟動「下一代DNA定序新方法」。研究論文於108年6月20日刊載於《自然科研通訊-生物學期刊》(Nature Research-Communications Biology)。不但解決業界的實務問題,其突破性成果也對研究領域有重要貢獻。

由A、T、C、G四種鹼基對排列組合的DNA是生命的遺傳密碼。為DNA定序,已是當今科學研究、臨床醫學、藥物開發的關鍵技術。

包含健康管理、癌症標靶用藥參考、個人化醫療等,甚至可用在環境檢測、打擊犯罪面向,隨著科技進步與普及,未來將有更多應用,

然而,目前市面上最常用的DNA定序法,主要是由美國生技公司Illumina使用的「循環可逆終止法」,先以化學試劑修飾dNTP,在每個循環中,皆須暫停切割、因此有速度慢、讀取長度較短等侷限。「循環可逆終止法」須分二階段進行,且須使用化學藥劑。不但無形中使定序的成本增加、速度變慢,其讀取DNA鹼基對的數量也較少。

對此,體學公司於2016年提出一套改良構想,利用3’酯化的脱氧核糖核苷三磷酸(dNTP)以及一種來自海底嗜熱古菌、名為「Thermococcus sp. 9°N DNA聚合酶」的酵素,即可一次性完成定序反應。此構想終於在與臺灣蛋白質計畫合作後,其可行性於近期得到證實。

DNA的基本單位是核苷酸,每個核苷酸的化學式中,都有一五碳糖,五碳糖有5個端點,第三個端點即為3’端。3’端在DNA複製、轉譯及定序的反應都有重要角色。本次研究使用將3’端酯化後形成的特殊核苷酸進行定序反應。Thermococcus sp. 9°N DNA聚合酶可催化3’酯化的核苷三磷酸引入DNA進行讀取、複製等反應。

DNA聚合酶是生物進行複製DNA時所使用的酵素,身為國際酵素專家的蔡明道院士表示,本研究首先證明了Thermococcus sp. 9°N DNA聚合酶可催化使用3’酯化的dNTP的DNA定序反應,再以質譜技術,證實該反應可連續發生不中斷。最後,透過不同顏色的螢光標記後發現,此反應一次即可進行到約450個鹼基對。未來進一步優化之後,在速度、成本及產量,皆有機會超越既有的方法。

研究團隊也強調,這項技術的關鍵步驟在於反應過程中的中間產物也可被直接偵測,因而免掉了分二階段進行。研究團隊也解析出多個中間產物的晶體3D結構,將有助瞭解此聚合酶方法的運作機制。除了DNA定序, 此研究對生物檢測及藥物開發等皆具應用潛力。

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