在 2022 年 3 月 11 日发表在《科学进展》上的一篇论文中，加州大学欧文分校化学系和物理与天文学系的研究人员揭示了有关使DNA测序成为可能的关键酶的新细节。这一发现是向个性化医疗时代的一次飞跃，届时医生将能够根据个体患者的基因组设计治疗方法。
“酶通过催化化学转化使生命成为可能，否则这些化学转化对生物体来说只需要很长时间，”UCI 化学教授、新研究的共同通讯作者 Greg Weiss 说。“我们真正感兴趣的转变对地球上的所有生命都至关重要——这是复制和修复 DNA 的过程。”
此图显示处于开放构型的 Taq 酶正在等待新的化学碱基到达，以便尝试将其与 DNA 链相匹配。图片来源：Max Strul / UCI 和 Lorena Beese 实验室 / 杜克大学
UCI 领导的团队研究的分子是一种称为 Taq 的酶，该名称来源于它首次发现的微生物，水生生物。UCI 领导的团队研究的分子是一种叫做 Taq 的酶，这个名字来源于它最初发现的微生物，水生生物。Taq 复制 DNA。聚合酶链式反应是一种从法医到 PCR 测试以检测COVID-19的数千种用途的技术，它利用了 Taq。
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UCI 领导的团队发现，Taq 有助于制造新的 DNA 副本，其行为与科学家之前的想法完全不同。韦斯解释说，这种酶不像一台运转良好、高效的机器不断地生产 DNA 拷贝，而是像一个不分青红皂白的购物者，在商店的过道上巡视，把他们看到的所有东西都扔进购物车。
“这种酶不是仔细选择每一块添加到 DNA 链中，而是为成功添加的每一块捕获数十个不合适的位置，”Weiss 说。“就像购物者检查购物清单上的物品一样，酶会根据它试图复制的 DNA 序列测试每个部分。”
众所周知，Taq 拒绝任何放入其众所周知的购物车的错误物品——毕竟，拒绝是成功复制 DNA 序列的关键。新工作中令人惊讶的是 Taq 拒绝正确碱基的频率。“这相当于一个购物者拿起半打相同的西红柿罐头，将它们放入购物车，并在只需要一个罐头时对它们进行测试。”
带回家的信息：Taq 的工作效率远远低于其应有的效率。
这项新研究的共同通讯作者、UCI 物理与天文学系教授菲利普·柯林斯解释说，这一发现是朝着彻底改变医疗保健的飞跃。这是因为如果科学家了解 Taq 的功能，那么他们就可以更好地了解一个人的测序基因组到底有多准确。
“每个人的基因组都略有不同，”柯林斯说，“在不同的地方有不同的突变。其中一些对疾病负责，而另一些则完全不负责。要真正了解这些差异是重要的还是医疗保健——为了正确开药——你需要准确地了解这些差异。”
“科学家们不知道这些酶是如何达到其准确性的，”柯林斯说，他的实验室创造了用于研究 Taq 行为的纳米级设备。“当他们的 DNA 与公认的人类基因组不同时，你如何向患者保证你已经准确地对他们的 DNA 进行了测序？病人真的有一个罕见的突变，”柯林斯问道，“还是酶只是犯了一个错误？
“这项工作可用于开发改进的 Taq 版本，在复制 DNA 时浪费更少的时间，”Weiss 说。
工作的影响不仅限于医学；每个依赖准确 DNA 测序的科学领域都将受益于对 Taq 工作原理的更好理解。例如，在使用古代 DNA 解释进化历史时，科学家依赖于关于 DNA 如何随时间变化的假设，而这些假设依赖于准确的基因测序。
“我们已经进入了基因组数据的世纪，”柯林斯说。“在本世纪初，我们首次揭开了人类基因组的面纱，我们开始利用来自基因组学的这些新发现的信息来了解生物体、物种和人类历史，但基因组信息只有在准确的情况下才有用。”
参考：
Mackenzie W. Turvey、Kristin N. Gabriel、Wonbae Lee、Jeffrey J. Taulbee、Joshua K. Kim、Silu Chen、Calvin J. Lau、Rebecca E. Kattan、Jenifer T 撰写的“单分子 Taq DNA 聚合酶动力学” . Pham、Sudipta Majumdar、Davil Garcia、Gregory A. Weiss 和 Philip G. Collins，2022 年 3 月 11 日，科学进展。
DOI: 10.1126/sciadv.abl3522
这项研究的合著者包括前 UCI 物理学和天文学研究生 Mackenzie Turvey 博士和前 UCI 分子生物学和生物化学研究生 Kristin Gabriel 博士。该研究由美国国立卫生研究院国家人类基因组研究所资助。
