朱聽課題組合成大型鏡像聚合酶并實(shí)現(xiàn)鏡像DNA信息存儲
構(gòu)成生命的天然核酸和天然蛋白質(zhì)皆具有手性單一特性：已知的天然核酸皆由D型核糖組成，天然蛋白質(zhì)幾乎皆由L型氨基酸組成。清華大學(xué)生命學(xué)院朱聽課題組致力于從遺傳信息中心法則出發(fā)，利用化學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科手段構(gòu)建與天然生物分子手性相反的“鏡像生物學(xué)系統(tǒng)”。至今，該課題組已初步實(shí)現(xiàn)了鏡像中心法則中的鏡像核酸復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、反轉(zhuǎn)錄等過程，開發(fā)了鏡像PCR、鏡像核酸測序等技術(shù)，目前正在著力構(gòu)建鏡像蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)完整的鏡像中心法則，并嘗試拓展鏡像生物學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。
人類社會(huì)高速發(fā)展帶來的海量信息使傳統(tǒng)磁、光介質(zhì)的信息存儲能力受到巨大挑戰(zhàn)。DNA因具有信息存儲密度高、保存時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新一代信息存儲介質(zhì)。目前，DNA信息存儲技術(shù)均以天然DNA為介質(zhì)，而天然DNA極易被自然環(huán)境中的微生物及核酸酶降解，不利于在開放環(huán)境中長時(shí)間穩(wěn)定存放。與天然DNA手性相反的鏡像DNA不僅具有相同的高信息存儲密度，還具有獨(dú)特的生物正交性，不易被微生物及核酸酶降解。與天然DNA信息存儲技術(shù)相同，鏡像DNA信息存儲技術(shù)主要包括信息的“寫入”與“讀取”兩個(gè)過程，需要高保真鏡像DNA聚合酶來幫助實(shí)現(xiàn)。然而，受限于已有的蛋白質(zhì)與核酸化學(xué)合成技術(shù)，分子量在50 kDa以上的大型鏡像蛋白質(zhì)和長度在150 bp以上的長鏈鏡像DNA的有效合成一直未能實(shí)現(xiàn)，長期制約著鏡像生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展及該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。
通過近五年的研究探索，朱聽課題組全化學(xué)合成了分子量達(dá)90 kDa的大型鏡像蛋白質(zhì)：鏡像Pfu DNA聚合酶，利用該高保真鏡像聚合酶組裝出千堿基長度的長鏈鏡像DNA，并開發(fā)了基于鏡像DNA的信息存儲技術(shù)。該研究成果以“利用高保真鏡像Pfu DNA聚合酶實(shí)現(xiàn)生物正交的鏡像DNA信息存儲”（Bioorthogonal information storage in L-DNA with a high-fidelity mirror-image Pfu DNA polymerase）為題，于2021年7月29日發(fā)表在Nature Biotechnology雜志（論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41587-021-00969-6）。
為突破全化學(xué)合成對蛋白質(zhì)大小的限制，研究者提出利用分割蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)輔助合成的策略，將全長為775個(gè)氨基酸的Pfu DNA聚合酶分割為長度為467個(gè)氨基酸和308個(gè)氨基酸的兩個(gè)片段分別合成，將其混合后共同復(fù)性，使其正確折疊為具有完整功能的90 kDa高保真鏡像Pfu DNA聚合酶（圖1），為目前已報(bào)道最大的全化學(xué)合成蛋白質(zhì)；研究者還利用該高保真鏡像聚合酶組裝出長達(dá)1.5 kb的鏡像16S核糖體RNA基因，為目前已報(bào)道最長的鏡像DNA。該實(shí)驗(yàn)中首次使用的大型鏡像蛋白質(zhì)全化學(xué)合成策略及千堿基長度鏡像基因的組裝技術(shù)，解決了長期制約鏡像生物學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的大型鏡像生物分子的制備難題，為后續(xù)構(gòu)建鏡像蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)完整的鏡像中心法則及拓展鏡像生物學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
圖1：利用分割蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)輔助合成鏡像Pfu DNA聚合酶
同時(shí)，研究者還開發(fā)了基于鏡像硫代磷酸DNA的鏡像DNA邊合成邊測序技術(shù)。相比于該課題組此前開發(fā)的鏡像DNA化學(xué)測序，新技術(shù)在測序讀長、準(zhǔn)確性、可操作性等方面都具有明顯優(yōu)勢。上述高效、高保真的鏡像DNA序列組裝與擴(kuò)增系統(tǒng)，結(jié)合簡便實(shí)用的鏡像DNA測序技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)鏡像DNA信息存儲創(chuàng)造了條件。研究者將巴斯德于1860年首次提出“鏡像生物學(xué)世界”這一概念的文字轉(zhuǎn)換為堿基序列寫入鏡像DNA文庫中，并從鏡像DNA中準(zhǔn)確讀取了該文本信息，從而實(shí)現(xiàn)了鏡像DNA信息存儲（圖2）。巴斯德的經(jīng)典文獻(xiàn)也成為了首段被存入鏡像DNA的信息。
圖2：鏡像DNA信息存儲
研究者還利用環(huán)境水樣進(jìn)行了生物正交性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明攜帶采樣地點(diǎn)信息的鏡像DNA在從清華園荷塘采集的水樣中存放一年后仍能被有效擴(kuò)增，且其攜帶的信息仍能被準(zhǔn)確讀??；而同樣存放條件下的天然DNA則在一天后即被完全降解，造成信息丟失（圖3）。該實(shí)驗(yàn)展示了鏡像DNA在復(fù)雜自然環(huán)境中長時(shí)間儲存信息的能力及廣泛的適用性。
圖3：鏡像DNA在環(huán)境水樣中長時(shí)間儲存信息
此外，研究者還進(jìn)一步開發(fā)了基于鏡像DNA的信息隱寫技術(shù)：將加密信息的密鑰寫入鏡像DNA并混入天然DNA文庫，使用天然DNA擴(kuò)增與測序技術(shù)僅能讀取天然DNA中的錯(cuò)誤密鑰，導(dǎo)致解碼錯(cuò)誤信息；只有使用鏡像DNA擴(kuò)增與測序技術(shù)才能讀取鏡像DNA中的正確密鑰并解碼加密信息（圖4）?；阽R像DNA的信息隱寫技術(shù)可以有效提高DNA所攜帶信息的保密性，為鏡像生物學(xué)系統(tǒng)在信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。
圖4：基于鏡像DNA的信息隱寫技術(shù)
清華大學(xué)生命學(xué)院、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生范楚珧、鄧強(qiáng)為該論文共同第一作者，清華大學(xué)生命學(xué)院朱聽教授為通訊作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金委、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、騰訊基金會(huì)、清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心和北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心的資助。
相關(guān)論文：http://zhulab.life.tsinghua.edu.cn/publications.html
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