產學合作新突破!台灣蛋白質計畫與生技公司共創 DNA 定序新方法

作者 | 發布日期 2019 年 07 月 18 日 14:00 | 分類 生物科技 follow us in feedly


產學合作新突破!台灣蛋白質計畫(Taiwan Protein Project,TPP)由中央研究院生物化學研究所特聘研究員蔡明道院士主持,該計畫近期與體學生物科技股份有限公司合作,提出用 DNA 聚合酶啟動「下一代 DNA 定序新方法」。研究論文於 108 年 6 月 20 日刊載於《自然科研通訊─生物學期刊》(Nature Research-Communications Biology)。蔡明道表示,本研究是高階產學合作的成功案例,利用研究團隊的生化知識,不但解決業界的實務問題,其突破性成果也對研究領域有重要貢獻。

由 A、T、C、G 四種鹼基對排列組合的 DNA 是生命的遺傳密碼。為 DNA 定序,已是當今科學研究、臨床醫學、藥物開發的關鍵技術(註 1)。然而,目前市面上最常用的 DNA 定序法(註 2)卻有 2 個主要局限:須分 2 階段進行,且須使用化學藥劑。不但無形中使定序的成本增加、速度變慢,其讀取 DNA 鹼基對的數量也較少。對此,體學公司於 2016 年提出一套改良構想,利用 3’ 酯化的脱氧核糖核苷三磷酸(註 3)(dNTP)以及一種來自海底嗜熱古菌、名為「Thermococcus sp. 9°N DNA 聚合酶」的酵素,即可一次性完成定序反應。此構想終於在與台灣蛋白質計畫合作後,其可行性於近期得到證實。

DNA 聚合酶是生物進行複製 DNA 時所使用的酵素,身為國際酵素專家的蔡明道院士表示,本研究首先證明了 Thermococcus sp. 9°N DNA 聚合酶可催化使用 3’ 酯化的 dNTP 的 DNA 定序反應(註 4),再以質譜技術,證實該反應可連續發生不中斷。最後,透過不同顏色的螢光標記後發現,此反應一次即可進行到約 450 個鹼基對。未來進一步優化之後,在速度、成本及產量,皆有機會超越既有的方法。

研究團隊也強調,這項技術的關鍵步驟在於反應過程中的中間產物也可被直接偵測,因而免掉了分二階段進行。研究團隊也解析出多個中間產物的晶體 3D 結構,將有助了解此聚合酶方法的運作機制。除了 DNA 定序, 此研究對生物檢測及藥物開發等皆具應用潛力。

過去將研究成果技轉給產業發展的合作模式,常有研究發現無法解決實際問題的尷尬情形。台灣蛋白質計畫為行政院政策額度支持的計畫,其使命之一,便是協助我國生技產、學、研界,針對實際問題,提出基礎研究的突破性解決之道。亦即,在業界尚處於構想階段時,即透過研究人員參與,引入先進的蛋白質知識與實驗技術,提出具體對策。蔡明道也說,本次合作成果也顯示台灣業者的提升,不再只是代工,而是從研發中獨創。

台灣蛋白質計畫的副總經理、生化所吳文晉研究副技師表示,目前本計畫已與國內產、學、研等單位取得共 370 件計畫成果,其中包含 20 多家生技業者實際面臨的問題。此計畫提供專業的蛋白質研究團隊,也利用國內蛋白質研究所需的精密儀器設施,包含冷凍電子顯微鏡(Cryo-EM)、國家同步輻射中心、核磁共振光譜及質譜儀等。

本論文由蔡明道院士、吳文晉研究副技師、生化所馬左仲客座助理教授及體學生物科技公司林吳宣煒博士、蔡廷岳博士、紀宏文博士、邱創汎技術長、李鍾熙董事長等人共同提出。論文標題為 “Thermococcus sp. 9°N DNA polymerase exhibits 3′-esterase activity that can be harnessed for DNA sequencing”。

▲ 正在反應中的 Thermococcus sp. 9°N DNA 聚合酶 3D 立體結構(圖左綠色塊狀物),其本身即可執行將 dNTP 的 3’ 酯剪下(圖右中間黃色條狀物),並引入 DNA,一次性完成 DNA 定序反應

註 1:DNA 定序未來將有更多應用,包含健康管理、癌症標靶用藥參考、個人化醫療等,甚至可用在環境檢測、打擊犯罪面向,隨著科技進步與普及,更將擴大其市場規模。
註 2:美國生技公司 Illumina 使用的「循環可逆終止法」,先以化學試劑修飾 dNTP,在每個循環中,皆須暫停切割,因此有速度慢、讀取長度較短等侷限。
註 3:DNA 的基本單位是核苷酸,每個核苷酸的化學式中,都有一五碳糖,五碳糖有 5 個端點,第 3 個端點即為 3’ 端。3’ 端在 DNA 複製、轉譯及定序的反應都有重要角色。本次研究使用將 3’ 端酯化後形成的特殊核苷酸進行定序反應
註 4:Thermococcus sp. 9°N DNA 聚合酶可催化 3’ 酯化的核苷三磷酸引入 DNA 進行讀取、複製等反應。

(首圖來源:shutterstock)