길고 구불구불한 길: 켜짐

벤치탑 DNA 프린터부터 맞춤형 합성까지 다양한 서비스를 통해 이러한 기술이 상용화됨에 따라 DNA 작성 기술에 대한 접근성이 높아지고 있습니다.

신용: CIPhotos/Stock/Getty Images Plus

DNA 합성 상태는 인류가 달까지 여행하는 것과 약간 비슷합니다. 이전에 무언가를 성취했다고 해서 그것을 더 잘 수행하는 방법을 찾는 것을 중단해야 한다는 의미는 아닙니다.”

이것이 장기 합성 DNA 서비스 제공업체인 Ribbon Biolabs의 CEO이자 설립자인 Harold P. de Vladar가 DNA 합성 분야에서 엄청난 기회를 보는 방식입니다. de Vladar는 아폴로 11호 달 착륙과 동등한 DNA 합성이 올리고뉴클레오티드로 알려진 상업적으로 이용 가능한 짧은 단일 가닥의 합성 DNA로부터 5386bp 박테리오파지 ΦX174를 조립하는 Craig Venter의 획기적인 연구라고 말했습니다.1 Venter와 J. Craig 팀 Venter Institute는 2000년대 초반 인간 게놈 서열 분석 직후인 2002~2003년에 중합효소 주기 어셈블리2라고 불리는 중합효소 연쇄반응(PCR)의 적응을 사용하여 ΦX174 게놈을 구축했습니다.

이 문제는 몇년 전까지만 해도 계속 존재했습니다. “아직 연구자였을 때 4000bp 정도의 작은 파지 게놈 라이브러리를 합성하고 싶어 긴 DNA를 만드는 문제에 직면했는데 그건 불가능한 프로젝트였습니다. 저는 250개 정도의 시퀀스를 원했는데 이는 달성할 수 없었습니다.”라고 de Vladar는 말했습니다.

약 10년 전, de Vladar는 Twist Bioscience라는 회사가 뉴스에 등장하기 시작하는 것을 보았습니다. 그는 사람들이 여전히 긴 DNA를 합성하는 데 관심이 있다는 것을 깨달았습니다. “표면적으로는 DNA 합성이 해결된 것처럼 보였지만, 시퀀싱을 위해 염기당 비용이 얼마나 감소했는지 등 세부 사항을 살펴보면 아직 해결되지 않았다는 것을 알 수 있습니다.”(박스 1)

지난 10~15년 동안 시퀀싱 비용은 무어의 법칙을 능가하는 속도로 급락했습니다. 인간 게놈 서열의 비용은 2007년 약 100만 달러에서 2014년 1,000달러로 감소했으며, 현재는 Illumina NovaSeq X 시리즈와 Ultima Genomics UG100이 게놈당 각각 200달러와 100달러의 비용을 주장하면서 100달러에 가까워졌습니다. 그러나 맞춤형 DNA 합성의 경제성은 보조를 맞추지 못했고 비용은 여전히 ​​상대적으로 높습니다. 지난 몇 년 동안 최신 차세대 시퀀싱 도구가 제공하는 Gigabase당 1~2달러 미만인 것과는 대조적으로 유전자 합성 비용이 bp당 0.01달러로 떨어지는 일반적인 추세가 있었습니다.7

2018년에 de Vladar는 오스트리아 비엔나에서 Ribbon Biolabs를 출시했습니다. DNA 합성 회사는 하루에 1kb의 단편을 안정적으로 구성할 수 있으며, 이를 10~20kb의 더 큰 분자로 조립할 수 있습니다. 이를 위해 리본은 자동화된 조립을 위한 10머 및 12머 올리고(약 80,000개의 올리고로 이루어진 바이오뱅크에서)의 최상의 조합을 식별하기 위해 의사 결정 트리로 분류되는 작은 조각으로 시퀀스를 알고리즘적으로 처리합니다. 소규모 회사(직원 수가 수십 명에 불과)의 경우 시퀀싱 기반 검증 및 배송을 포함한 실제 소요 시간은 약 3일입니다. de Vladar와 Ribbon Biolabs의 목표는 라이브러리 접근 방식에서 유전자 합성을 하루 1000kb까지 확장하는 것입니다.

효소와 조립 표준을 개선함으로써 단일 단계에서 결합할 수 있는 DNA 분자의 정확성과 개수가 향상되었습니다. 지난 10년 동안 Gibson Assembly3를 포함하여 강력하고 새로운 DNA 조립 방법이 많이 개발되었습니다. 이러한 조립 방법은 최소 박테리아 게놈4 및 합성 효모 염색체의 구성에 적용되었습니다.5

DNA 합성에 대한 조립 접근법에는 여러 가지 단점이 있습니다. 합성 올리고뉴클레오티드의 불순물, 개별 클론의 서열 확인에 대한 방법의 의존성, 구성된 복제에 사용해야 하는 충실도가 높은 교정 PCR 효소에 대한 의존성으로 인해 손상될 수 있습니다. 증폭 중에 돌연변이를 방지하는 유전자.

Ribbon Biolabs의 계층형 접근 방식은 합성된 분자의 물리적 크기에 의해 제한됩니다. “20~40kb 크기의 DNA는 매우 복잡한 분자입니다.”라고 de Vladar는 말했습니다. “반응은 더 이상 효율적이지 않습니다. 그러나 그것은 최악의 문제도 아닙니다. 더 긴 DNA 분자는 순전히 힘으로 인해 부서집니다. 어셈블리 자체는 문제가 되지 않습니다. 그것은 DNA 분자를 조작하는 것입니다. 이는 우리도 해결하려고 노력하고 있는 문제이며 R&D에 몇 가지 아이디어가 있습니다. 하지만 버튼 하나만 누르면 30kb를 인쇄할 수는 없습니다.”