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最近发表于《科学进展》上的论文中，加州大学欧文分校化学系和物理与天文系的研究人员揭示了一种与 DNA 测序相关的酶。这一发现个人定制化医疗时代的一次飞跃性进展，未来医生们将能根据个体病人的基因组设计治疗方案。

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“酶通过催化反应加快了生物体内原本漫长的物质转化进程。” 通讯作者加州大学欧文分校的化学教授 Greg Weiss 解释道，“ DNA 复制和修复的过程对于所有生命来说都是必不可少的步骤之一，我们对此非常感兴趣。”

PCR示意 | www.omegafilters.com

加州大学欧文分校领导的研究小组所研究的是一种叫做 Taq 的酶，其名字来源于一种首次发现的微生物——水生嗜热菌（Thermos aquaticus）。由于Taq 酶具备在高温条件下复制 DNA 的优势，聚合酶链式反应（PCR）技术被广泛应用于从法医学到 COVID-19 病毒核酸检测等方方面面。

Weiss 解释说，Taq酶并不像是一台运转良好，不断大量生产 DNA 副本的高效机器，而像是一个任性的购物狂，在商场的过道里闲逛，并把它能看到的所有东西统统扔进购物车。

Taq 酶在复制 DNA 序列时的行为像一个任性的购物狂 | Flickr, Ben Schumin / CC BY-SA 2.0（https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0/）

“这种酶在添加的每个片段上都会产生几十个错配，它并不会仔细地筛选添加到 DNA 链上的序列。” Weiss 补充道，就像购物者核对购物清单上的商品一样，Taq酶将其试图复制的片段与原始DNA 序列进行逐一比对。

众所周知，Taq 酶摈弃任何意外落入它购物车中的错误物品ーー毕竟，这个摒弃机制是能够精确复制 DNA 序列的关键。这项新研究中，令人惊讶的是 Taq 酶同样摈弃正确碱基的频率。“这相当于一个购物者拿了六个相同的番茄罐头放进购物车并且反复核对清单，但实际上他只需要一罐番茄。”

一言以蔽之：Taq 酶的工作效率远远低于它所能够达到的正常效率。

加州大学欧文分校物理与天文学系教授 Philip Collins 进一步解释说，这项研究成果是医疗健康领域的一次革命性飞跃。这是因为，如果科学家们一旦理清了 Taq 酶的作用机理，那么他们就能进一步了解人类个体的基因组测序到底有多准确。

“每个人的基因组都略有不同。” Collins 说，“在不同的地方有不同的突变。可能其中一些能够引发疾病，而另一些则完全没有任何影响。为了彻底弄清楚这些差异是否具有医疗方面的重要性，我们需要准确地了解这些差异。”

“科学家们还不清楚这些酶是如何确保它们的准确性的。” Collins 解释道，他的实验室为研究 Taq 酶的行为研发了纳米级的装置。“当病人的 DNA 与已完成的人类基因组样本不同的时候，怎么能保证他们的 DNA 测序结果是精准的？病人是真的有一个罕见的基因突变，” Collins 问道，“还是说只是这种酶犯了一个错误?”

“这项工作可以用来开发改良版的 Taq 酶，减少它在复制 DNA 时浪费的时间。” Weiss 说。

能够更好地理解 Taq酶的工作原理，这项工作的影响并不仅限于医学领域，每一个依赖于精确 DNA 测序的科学领域都将从中受益。例如，在利用古DNA 解释进化历史时，科学家依赖于 DNA 随时间变化的假设，而这些假设依赖于精确的基因测序。

我们已经进入了基因组数据的世纪 | nature

“我们已经进入了基因组数据的世纪。” Collins 说，“在本世纪初，我们第一次揭开了人类基因组的面纱，我们开始利用基因组学带来的新形式信息来了解生物体、物种和人类进化史，但是基因组信息只有在准确的情况下才有用。”

参考文献

[1] Turvey M W, Gabriel K N, Lee W, et al. Single-molecule Taq DNA polymerase dynamics[J]. Science Advances, 2022, 8(10): eabl3522.

[2] https://phys.org/news/2022-03-scientists-genetic-sequencing.html

编译：茵陈

编辑：酥鱼

排版：尹宁流

题图来源：图虫创意

研究团队

通讯作者 Gregory A. Weiss：加州大学欧文分校教授，他的实验室研究使生命成为可能的原子、化学键和分子。发明了剖析此类生物分子如何工作的工具，并开发了控制、改进和修复它们的技术。Weiss 的团队为化学生物学、生物工程、蛋白质工程、分子生物学、生物化学和生物物理学各个层面的优秀研究人员提供职位。课题组网站：https://www.gweisslab.net/research

通讯作者 Philip G. Collins：加州大学欧文分校教授，他们的研究小组专注于新型纳米级材料的电子特性。在纳米尺度上，特性往往与散体物料显着不同。由这些差异可能开发出不同的电子设备——其中一些对新的实际应用很有启发性，而另一些则为纳米级物理研究打开了新的大门。课题组网站：https://www.physics.uci.edu/~collinsp/

第一作者 Mackenzie W. Turvey：从事单分子传感器的凝聚态物质研究。他的研究兴趣在于通过材料开发改进用于所有类型实验的传感器和探测器。

第一作者 Kristin N. Gabriel：于加州大学欧文分校分子生物学与生物化学系取得博士学位。

论文信息

发布期刊 《科学进展》 Science Advances

发布时间 2022年03月11日

论文标题 Single-molecule Taq DNA polymerase dynamics

（DOI：10.1126/sciadv.abl3522）

原标题：《“私人定制”医疗飞跃性进展！科学家发现Taq酶的机制，人类进入基因组数据时代》

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