科學家在發現DNA可以透過一種稱為「塗鴉」的過程從頭開始建構後，重新思考了DNA的結構。

科學家發現，DNA聚合酶無需模板複製即可寫入長而結構化的新遺傳物質片段。

這項發現重新定義了一種長期以來為人所知但卻被忽視的行為，將其視為構建DNA長鏈的潛在方法，而傳統化學方法至今仍難以達到這種長度。

DNA鏈中的證據

在酵素自主產生的數千條DNA鏈中，這些序列不再隨機，而是呈現出清晰的重複模式。

布里斯託大學的研究人員將這些模式與特定的酶和反應條件聯繫起來，表明其輸出遵循可識別的規則。

這些規則產生的模式涵蓋了從簡單的重複序列到更複雜的序列結構，展現出遠超科學家先前預期的有序性。

由於科學家能夠以無法控制噪音的方式控制模式化的輸出，這項發現引發了一個更深層的問題：這種不尋常的寫入過程是如何運作的？

DNA“塗鴉”

在正常情況下，DNA聚合酶（一次建構一個鹼基的酵素）會複製一條現有的DNA鏈。

科學家將DNA聚合酶這種無需模板即可構建DNA的能力稱為“塗鴉”，最初添加的幾個DNA單元可以引導更多相同的模式繼續延伸。

溫度的變化和可用的DNA構建單元決定了酵素接下來添加哪些單元，從而產生不同的重複模式。

這種回饋機制解釋了為什麼產物會形成特定的模式，而不是完全隨機的遺傳物質鏈。

為什麼長度至關重要

目前的DNA建構方法最適用於短片段，因為每增加一步都會增加出錯的機率。

即使是最近的進展也只能將這些片段延長到數千個DNA單元，這表明建立更長的DNA鏈仍然非常困難。

相較之下，前面所描述的同一種無模板方法一次就能產生數萬個單元長的DNA鏈。

當科學家需要長鏈DNA來建構基因或控制細胞行為時，這種差異可能至關重要。

透過電訊號讀取DNA

為了了解這些酵素實際合成了什麼，研究團隊使用了一種透過檢測每個DNA單元通過感測器時產生的微弱電訊號來讀取DNA的方法。

這種方法使他們能夠追蹤整個DNA鏈從起始到終止的完整過程，而無需將其分解成更小的片段。

同時，他們也使用另一種工具在極小的尺度上繪製DNA鏈的物理形狀。

結合序列和形狀訊息，可以更清楚地了解酵素的產物以及這些長DNA鏈的形成過程。

控制反應

一旦圖案顯現，研究人員便嘗試人為介入反應，而不僅僅是觀察其發生。

改變溫度會改變鹼基添加的速度，從而改變最終DNA鏈中重複單元的平衡。

將反應限制在四種DNA建構單元中的兩種，會導致酵素產生長而高度規則的重複序列──有些序列甚至超過1000個單元。

這種對簡單改變的可預測反應，使得整個過程看起來不那麼隨機，更像是科學家可以刻意控制的。

從頭開始建構DNA

科學家早在幾十年前就注意到了這種現象。早期實驗表明，有些DNA聚合酶即使沒有可供複製的DNA鏈，也能開始建立新的DNA。

1960年的一篇論文描述了其中一種意想不到的產物，並將這種效應與兩種DNA鹼基聯繫起來。

「DNA聚合酶的這種『塗鴉』行為已經為人所知數十年，但一直以來都被視為一種奇特現象，」戈羅霍夫斯基說。

布里斯託的研究結果改變了這個框架，顯示研究人員可以繪製、比較和引導不尋常的產出。

通往遺傳變異的途徑

如果細胞能夠偶爾自主地產生新的DNA序列，那麼這個過程可能為遺傳變異的產生提供一條途徑。

即使底層的鹼基看起來很簡單，短的重複序列也能改變DNA的摺疊方式或基因的調控方式。

由於這項新研究將特定條件與特定序列模式聯繫起來，因此它為研究人員提供了一種更好的方法來探討此類序列何時可能出現。

儘管這一觀點在活細胞中仍處於初步階段，但這項研究使得直接驗證這個問題變得更加容易。

對生物技術的影響

一種可控制的酵素系統可以更輕鬆、更經濟地建構長DNA片段，而目前建構長DNA片段既困難又耗時。

生物技術領域致力於設計或重建用於實際應用的生物系統，而長序列往往決定了研究人員能夠嘗試的研究方向。

「我們的研究表明，這是一個可調控的過程，它對新遺傳物質的產生方式具有重要意義，並且在生物技術領域具有巨大的潛力，」Gorochowski說。

然而，任何實用的平台都需要對序列錯誤、長度分佈和不必要的副產物進行可靠的控制。

研究限制及未來研究方向

並非所有隨意繪製的長鏈都具有實用價值，因為重複序列可能佔據主導地位，且精確控制其順序仍然十分困難。

工程酶或許能夠改善這種控制，但該領域仍需更精確的方法來啟動、終止並驗證每個產物。

一旦科學家從混合的實驗鏈轉向設計用於實際應用的生物元件，安全性問題也變得至關重要。

這些限制使得這項工作仍停留在研究階段，即便其基本成果看起來比以往更具實用性。

由此可見，DNA聚合酶不僅僅是複製酶，它們還能夠產生長鏈的圖案化材料。

未來的研究需要更嚴格的控制和更完善的錯誤檢查，但成果已經拓展了科學家可以利用酵素合成的物質種類。

該研究發表於《自然通訊》雜誌。