生命科學

DNA元件,組裝未來生命

把各種特殊的DNA當成元件,可以製造許多生物性的標準裝置,讓科學家可以組裝出能執行特殊功能的生物。

撰文/生物製程團隊(The Bio Fab Group)
翻譯/涂可欣

生命科學

DNA元件,組裝未來生命

把各種特殊的DNA當成元件,可以製造許多生物性的標準裝置,讓科學家可以組裝出能執行特殊功能的生物。

撰文/生物製程團隊(The Bio Fab Group)
翻譯/涂可欣

雖然「基因工程」一詞已經使用了至少30年,DNA重組也成為現代研究中主要的技術,但大部份生技專家的研究,還是很少和工程學有交集。原因之一是我們目前製造生物「零件」的工具,還尚未達到標準化的程度,應用性也不能和其他工程領域並駕齊驅;再者,雖然生物學會受到科技的影響,但其研究方法和觀念仍與工程學有差距。


舉例來說,電機工程的蓬勃發展始於1957年。當年霍爾尼(Jean Hoerni)在現今所稱的矽谷中,為快捷半導體(Fairchild)這家小公司工作。他開發出平面製程技術。這套系統利用光罩為模版,以金屬和化合物在矽晶片上蒸鍍和蝕刻,讓工程師能夠生產清潔又均一的積體電路,並能透過改變光罩樣本而變化出多樣的電路種類。沒多久,工程師就能利用他人設計的簡單電路,加以合併重組,製造出更複雜的電路設計,增加應用的範圍。


在平面製程技術出現之前,電子電路的標準製程是將電晶體電路一個個焊接起來,由於這個步驟純靠手工,成品良莠不齊,是剛起步電子業的一大瓶頸。而在平面製程技術研發之後,其製程就不斷改良,進步速度恰好符合著名的摩爾定律。


半導體晶片的設計和製程,結合了科技和方法學,是工程學史上最成功的例子,可做為生物系統製程等新興科技師法的典範。


今日的基因工程學家就像當年電子業者一樣,用手工連接系統中的每一個線路。我們的同事,美國麻省理工學院人工智慧實驗室的奈特(Tom Knight)一語道破了基因工程的困境:「由於缺乏標準化的DNA序列組合技術,使得每一次DNA組合反應既是解決研究題材的工具,本身也是一項實驗。」


生物工程使用的方法和零件如果能夠標準化,就能建立相容組件的設計庫,並將系統製程外包。觀念與製造分開後,生物工程學家才有餘力去構思更複雜的裝置,利用更有效的工具(像是電腦輔助設計)來控制系統的複雜度。為了達成這個目標,我們研究團隊的成員開始找尋並發展可做為「生物製程」基礎的配備和技術。我們也想要促成一個社群,能夠採用最好的工程學原理和做法,來發展生物科技。


量產特定序列的DNA


由特定DNA序列構成的基因,就相當於電路中的電晶體,是生物工程的最基本元件。如果想用基因組裝出先進的生物儀器,首先我們必須能夠可靠、快速的合成長段的DNA,而且價格要合理。


20年前,美國科羅拉多大學波爾德分校的卡拉瑟斯(Marvin H. Caruthers),根據其他人先前的研究,利用DNA的天然化學性質發展了一套合成單股DNA的系統。DNA是由四種核酸所組成,這四種核酸內分別含有不同的鹼基:腺嘌呤(adenine, A)、胞嘧啶(cytosine, C)、鳥糞嘌呤(guanine, G)和胸腺嘧啶(thymine, T)。鹼基之間由於親和力,會形成特定的配對:A對T,C對G,構成梯子狀雙股DNA分子的梯級。


卡拉瑟斯的方法稱為固相亞磷胺化學法(solid phase phosphoramidite chemistry),是大部份商業用DNA合成儀器的基礎。在合成反應開始時,溶液中懸浮的固體圓珠(聚苯乙烯)上會黏附著一個核酸分子;當溶液接觸到酸,第一個核酸可與新加入的核酸形成鍵結,然後當第二個核酸接觸到酸,又可以和下一個核酸連接起來,如此核酸鏈就會變得越來越長;不斷重複這個步驟,就可以製造出任何想要的核酸序列,誤差為每100個核酸中會有一個錯誤。


然而,生物工程學家想製造的基因,大多比這套系統能生產的DNA長得多,一個簡單的基因組合,可能就有數千個核酸長;即使像細菌這樣小的生物,基因組也有幾百萬個核酸。我們需要其他產量較高、錯誤率較低的合成方法,於是我們從自然界尋求線索。


生物細胞內有由酵素(聚合)組成的機具,以每秒500個核酸的作用速度,製造以及修補DNA分子,而且平均在10億個核酸中才有一個錯誤。目前最好的DNA合成儀器,加長一個核酸需要300秒。相較之下,自然生物機具的效能(產量除以錯誤率)是人造機器的兆倍。而且在複製像細菌基因組這樣長的DNA時,生物體會有許多聚合同時作用,20分鐘內,就可以製造出含有500萬個核酸的DNA。


作者之一邱契於是想到,利用現有的微陣列技術來效法生物機具的平行處理。我們的做法是在一塊大玻片上,每平方公分放置100萬個小點,每個小點都含有長度為50~70個核酸的單股DNA(也稱為寡核酸),這些DNA都是利用亞磷胺化學法在微陣列上同步製造出來的。和傳統技術一樣,我們也在序列之前加上了可切割的連接分子,讓微陣列可釋出特定的寡核酸。我們實驗所用的微陣列每個點約有30微米寬,其中含有約1000萬個寡核酸分子。