DNA克隆和组装技术研究进展

DNA克隆和组装技术是重要的分子生物学工具。近年来,随着合成生物学的飞速发展,对大片段DNA元件的快速有效组装就显得尤为关键。同时,各种DNA克隆和组装技术也竞相发展起来。通过对基于非典型酶切连接、PCR、同源重组、单链退火拼接等原理发展起来的各种DNA克隆和组装技术进行综述,为合成生物学的进一步发展提供有效的操作工具。     

合成生物学中的DNA组装技术

合成生物学旨在应用工程学的研究思路及手段去设计或改造生物系统,是一个综合了科学与工程的拥有发展潜力的新兴学科,在生物医药、农业、能源、环保等方面发挥着巨大作用。DNA组装技术是合成生物学中的关键技术,也是合成生物学快速发展的限制性技术。综述了众多DNA组装技术的发展及其在合成生物学研究中的意义和应用。     

基因组装技术在合成生物学中的应用

基因组装技术是合成生物学领域近年来发展起来的新型技术。它基于大规模基因组数据分析,发现新型的或隐藏的生物活性物质合成基因簇。利用基因组装技术,可提高或激活沉默的生物合成基因簇在微生物中的表达,从而合成潜在的、有价值的生物活性物质。本文旨在阐明最新的体内和体外基因组装技术的设计原理、关键策略及其应用。基因组装技术是合成生物学、代谢工程和功能基因组学研究的重要工具,对生物活性物质的高效生产及合成具有重要意义。     

合成生物学技术的研究进展——DNA合成、组装与基因组编辑

合成生物学作为一门新兴学科,其目标主要有两点:一是利用非天然的分子使其出现生命的现象,也就是―人造生命‖;二是―改造生命‖,比如利用一种生命体的元件(或经过人工改造),组装到另一个生命体中,使其产生特定功能。无论是哪种目的,对生命遗传物质DNA的操作都非常关键,其具体包括DNA的从头合成、组装和编辑等。同时,这些使能技术的进步也促进了合成生物学其他领域的发展。本文介绍了DNA操作相关的合成生物学使能技术的最新进展。     

DNA拼接技术研究进展

基因组合成是合成生物学的一个重要环节,其发展将会对未来的生物、医药、农业、能源等方面的发展产生巨大的推动作用,同时DNA拼接作为基因组合成所需要的一种关键技术也日臻完备。回顾了多种DNA拼接技术,并对其中最具发展潜力的几种方法作了综述,探讨不同DNA拼接技术的原理和特点。     

DNA合成技术及应用

DNA从头合成技术是指以寡核苷酸链为起始的合成DNA片段的技术,其不断进步是合成生物学快速发展的基石之一。常规使用的连接介导的DNA合成技术和PCR介导的DNA合成技术日益成熟,精确合成长度已经达到0．5—1kb。微阵列介导的DNA合成技术不断发展,其低成本、高通量的特点吸引了人们的注意;而酵母体内DNA合成技术的成功探索也为体外DNA合成提供了一种补偿方法。DNA合成在优化密码子用于异源表达、构建异源代谢途径、合成人工基因组以及合成减毒病毒用于疫苗研制等方面有广泛应用。综述了DNA从头合成技术的研究进展,并介绍了DNA合成的前沿应用。     

DNA组装新方法的研究进展

2010年,蕈状支原体Mycoplasma mycoides的人工合成,迎来了合成生物学的崭新时代.这种突破性的进展主要得益于酵母自身强大的DNA体内重组能力.近几年来,除了利用体内重组的DNA大片段拼接技术,基于连接或聚合思想的不同尺度的DNA体外组装方法也相继出现,如Biobrick\Bglbrick、SLIC与Gibson等温一步法等,这些方法的应用加快了合成生物学功能元件库、生物合成途径乃至微生物染色体的人工构建.事实上,目前所建立的各种DNA组装方法,均是由DNA分子拼接理念(包括两分子衔接思想与多片段组装模式)衍生而来.文中将在介绍DNA组装基本理念的基础上,对体内、体外主要的DNA组装方法进行简要梳理,希望为不同类型的合成生物学功能器件及生物合成途径的构造提供参考与借鉴.     

耐辐射球菌DNA双链断裂修复机制研究新进展

耐辐射球菌对于电离辐射等DNA损伤剂具有极强的抗性,能够将同一个基因组中同时产生的高达100个以上的DNA双链断裂在数十小时内高效而精准地进行修复,是研究DNA双链断裂修复机制的重要模式生物。同源重组、非同源末端连接和单链退火途径作为3个主要的修复途径参与了耐辐射球菌基因组DNA双链断裂的修复过程。此外,一系列新发现的重要蛋白质,如Ppr I、Ddr B等对于耐辐射球菌基因组的修复过程同样至关重要。根据本实验室和国内外在这一研究领域近年来的报道,以不同的修复途径为线索,综述该菌DNA双链断裂修复机制的最新研究成果。     

基因组编辑技术中供体DNA类型及选择

基因组编辑技术能够实现基因组的精确修饰和改造,是后基因组时代研究基因功能和遗传信息的主要手段。传统的基因打靶技术通过低效率的细胞自发同源重组实现目的基因的定点修饰。真核细胞中DNA双链断裂介导的同源重组效率远高于自发同源重组,利用人工核酸内切酶特异性地在基因组靶序列处引入双链断裂,通过提供适当形式的、含有一定长度同源臂的供体DNA,能够实现相对高效的基因组靶向编辑。本文系统总结了环状质粒、线性化质粒、聚合酶链式反应产物及单链寡聚脱氧核苷酸4种类型的供体DNA在基因组精确编辑研究中的应用及候选原则,以期为以后相关研究中供体DNA的选择、设计提供参考和借鉴。     

DNA重组技术的研究综述

DNA重组技术,即DNA克隆技术的研究和运用是现代生物学发展的一个重要分支,是分子生物学发展的突出领域。本文介绍了DNA重组的类型及相关的生物学概念;综述了目前已报道的传统的酶切-连接经典克隆方法、位点特异性重组克隆方法、以及同源重组克隆方法,重点阐述了各自的原理、步骤、特点及实际应用等方面;最后归纳总结了各种方法的优缺点和应用范围,并对该技术的科研成果进行了回顾和对未来的研究进行了展望。     

High molecular weight DNA assembly in vivo for synthetic biology applications

DNA assembly is the key technology of the emerging interdisciplinary field of synthetic biology. While the assembly of smaller DNA fragments is usually performed in vitro, high molecular weight DNA molecules are assembled in vivo via homologous recombination in the host cell. Escherichia coli, Bacillus subtilis and Saccharomyces cerevisiae are the main hosts used for DNA assembly in vivo. Progress in DNA assembly over the last few years has paved the way for the construction of whole genomes. This review provides an update on recent synthetic biology advances with particular emphasis on high molecular weight DNA assembly in vivo in E. coli, B. subtilis and S. cerevisiae. Special attention is paid to the assembly of whole genomes, such as those of the first synthetic cell, synthetic yeast and minimal genomes.     

无限制克隆技术研究进展及其应用

无限制克隆(restriction-free cloning,RFC)是近年来建立起来的一种简单通用的DNA克隆技术,它可以精确地将目的片段插入到质粒内任意位置,是一种不受酶切位点、连接酶效率、目的基因长度或载体序列等条件限制的新型DNA重组技术.与其他多种克隆方法相比,RFC技术拥有不可替代的优势.本文在总结国内外RFC技术研究的基础上,系统阐述了RFC技术的原理、特点和在克隆方面的研究进展,并探讨其在分子生物学和合成生物学等领域的应用价值.     

Assembly of long DNA sequences using a new synthetic <Emphasis Type="Italic">Escherichia coli</Emphasis>-yeast shuttle vector

Synthetic biology is a newly developed field of research focused on designing and rebuilding novel biomolecular components, circuits, and networks. Synthetic biology can also help understand biological principles and engineer complex artificial metabolic systems. DNA manipulation on a large genome-wide scale is an inevitable challenge, but a necessary tool for synthetic biology. To improve the methods used for the synthesis of long DNA fragments, here we constructed a novel shuttle vector named pGF (plasmid Genome Fast) for DNA assembly in vivo. The BAC plasmid pCC1BAC, which can accommodate large DNA molecules, was chosen as the backbone. The sequence of the yeast artificial chromosome (YAC) regulatory element CEN6-ARS4 was synthesized and inserted into the plasmid to enable it to replicate in yeast. The selection sequence HIS3, obtained by polymerase chain reaction (PCR) from the plasmid pBS313, was inserted for screening. This new synthetic shuttle vector can mediate the transformation-associated recombination (TAR) assembly of large DNA fragments in yeast, and the assembled products can be transformed into Escherichia coli for further amplification. We also conducted in vivo DNA assembly using pGF and yeast homologous recombination and constructed a 31-kb long DNA sequence from the cyanophage PP genome. Our findings show that this novel shuttle vector would be a useful tool for efficient genome-scale DNA reconstruction.

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Positive selection improves the efficiency of DNA assembly

With the advent of synthetic biology and cell engineering, the demand for large synthetic DNA fragments has been steadily increasing. Consequently, a number of multi-fragment cloning technologies optimized for the assembly of sizable DNA constructs have been developed. Still, screening for the right clone can be tedious because the high incidence of illegitimate assembly results in a relatively large proportion of missing or shuffled DNA elements. To mitigate this risk, we have developed a strategy that reduces the rate of fragment mis-assembly and is compatible with a variety of cloning methodologies. The approach is based on the positive selection of truncated plasmid markers, which are rendered active by providing their missing sequences during the assembly process. The method has been successfully validated in the context of complex in vivo and in vitro homologous recombination workflows, but it could be readily adapted to other cloning strategies, including those based on restriction endonucleases.     

2013合成生物学专刊序言

合成生物学目前在全球得到迅猛发展。在此专刊中,综述了一些相关技术在合成生物学领域的进展,其中有:链霉菌无痕敲除方法、基因合成技术、DNA组装新方法、最小化基因组的方法及分析、合成生物系统的组合优化。也讨论了应用合成生物学策略优化光合蓝细菌底盘、产溶剂梭菌分子遗传操作技术、蛋白质预算(Protein budget)作为合成生物学的成本标尺。最后,用几个例子说明了合成生物学的应用,包括复杂天然产物合成人工生物系统的设计与构建、微生物木糖代谢途径改造制备生物基化学品以及构建酿酒酵母工程菌合成香紫苏醇。