Biomics

На 2025 г. приходится сразу несколько юбилейных дат, прямо или косвенно связанных с синтезом олигонуклеотидов. Так, 70 лет назад, в 1955 г. вышла статья, в которой описан синтез динуклеотидов d(TpT) и d(pTpT). В том же году была опубликована работа, в которой сообщалось о выделении из бактерии Azotobacter vinelandii фермента полинуклеотидфосфорилазы, полимеризующей РНК в системе in vitro. В 1970-х гг. с помощью этого фермента некоторое время велся синтез коротких олигонуклеотидов с заданной последовательностью. Химический синтез олигонуклеотидов за прошедшие годы претерпел серьезную эволюцию от фосфотриэфирного, через фосфонатный, фосфодиэфирный, фосфиттриэфирный, преобразованный затем в фосфитамидный. Последний является в настоящее время основным методом получения олигонуклеотидов с помощью автоматических ДНК-синтезаторов. Фактически, амидофосфитный способ синтеза олигонуклеотидов пока обеспечивает решение соответствующих задач науки и практики, однако потребность в долговременном хранении небиологической информации в молекулах ДНК (в олигонуклеотидах) приводит к необходимости их получения в значительном количестве и другого качества (более длинных), с чем существующий подход уже не справится. Ему на помощь может прийти способ ферментативного получения олигонуклеотидов с использованием терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазы - фермента, выделенного из тимуса теленка в 1960 г. и обеспечивающего нематричный синтез ДНК.

олигонуклеотид, химический синтез, , ДНК-синтезатор, амидофосфитный способ, ферментативный синтез, полинуклеотидфосфорилаза, терминальная дезоксинуклеотидилтрансфераза, ТдТ

1. Гарафутдинов Р.Р., Никоноров Ю.М., Сахабутдинова А.Р., Зубов В.В., Алексеев Я.И., Чемерис А.В. Ферментативный синтез олигонуклеотидов. Biomics. 2025. 17(4). С. С.337-351. doi: 10.31301/2221-6197.bmcs.2025-30
2. Михайленко К.И., Гарафутдинов Р.Р., Привалов Л.Ю. и др. Три десятилетия ДНК-вычислений. Biomics. 2024. 16(2). 149-187. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2024-9
3. Нейман М.С. Некоторые принципиальные вопросы микроминиатюризации. Радиотехника. 1964. 9(1). 3-12.
4. Нейман М.С. О связях между надежностью, быстродействием и степенью микроминиатюризации на молекулярно-атомном уровне. Радиотехника. 1965. 20(1). 1-9.
5. Нейман М.С. О молекулярных системах памяти и о направленных мутациях. Радиотехника. 1965a. 20(6). 1-8.
6. Adleman LM. Molecular computation of solutions to combinatorial problems. Science. 1994. 266(5187). 1021-1024. DOI: 10.1126/science.7973651
7. Barthel S, Palluk S, Hillson NJ et al. Enhancing Terminal Deoxynucleotidyl Transferase Activity on Substrates with 3' Terminal Structures for Enzymatic De Novo DNA Synthesis. Genes (Basel). 11(1). 102. doi: 10.3390/genes11010102
8. Bollum FJ. Oligodeoxyribonucleotide primers for calf thymus polymerase. J Biol Chem. 1960. 235. PC18-20.
9. Byrne J, Dahm R. Friedrich Miescher and the 150th anniversary of the discovery of DNA. Biomics. 2019. 11(3). 249-258. DOI: 10.31301/2221-6197.bmcs.2019-23
10. Church GM, Gao Y, Kosuri S. Next-generation digital information storage in DNA. Science. 2012. 337(6102). 1628. doi: 10.1126/science.1226355
11. Garafutdinov RR, Chemeris DA, Sakhabutdinova AR et al. Encoding of non-biological information for its long-term storage in DNA. Biosystems. 2022. 215-216. 104664. doi: 10.1016/j.biosystems.2022.104664
12. Gillam S, Smith M. Use of coli polynucleotide phosphorylase for the synthesis of oligodeoxyribonucleotides of defined sequence. Methods Enzymol. 1980. 65(1). 687-701. doi: 10.1016/s0076-6879(80)65067-8
13. Gillam S, Waterman K, Doel M et al. Enzymatic synthesis of deoxyribo-oligonucleotides of defined sequence. Deoxyribo-oligonucleotide synthesis. Nucleic Acids Res. 1974. 1(12). 1649-1664. doi: 10.1093/nar/1.12.1649
14. Grunberg-Manago M, Ochoa S. Enzymatic synthesis and breakdown of polynucleotides; polynucleotide phosphorylase. Am. Chem. Soc. 1955. 77(11). 3165–3166. doi: 10.1021/ja01616a093
15. Grunberg-Manago M, Oritz PJ, Ochoa S. Enzymatic synthesis of nucleic acidlike polynucleotides. Science. 1955. 122(3176). 907-910. doi: 10.1126/science.122.3176.907
16. Gunberg-Manago M, Ortiz PJ, Ochoa S. Enzymic synthesis of polynucleotides. I. Polynucleotide phosphorylase of azotobacter vinelandii. Biochim Biophys Acta. 1956 Apr;20(1):269-85. doi: 10.1016/0006-3002(56)90286-4
17. Hoshika S, Leal NA, Kim MJ et al. Hachimoji DNA and RNA: A genetic system with eight building blocks. Science. 2019. 363(6429). 884-887. doi: 10.1126/science.aat0971
18. Hsieh WT. Polymerization of deoxyribonucleoside diphosphates with an enzyme from an Escherichia coli mutant lacking deoxyribonucleic acid polymerase activity. J Biol Chem. 1971. 246(6). 1780-1784.
19. Jensen MA, Davis RW. Template-Independent Enzymatic Oligonucleotide Synthesis (TiEOS): Its History, Prospects, and Challenges. Biochemistry. 2018. 57(12). 1821-1832. doi: 10.1021/acs.biochem.7b00937
20. Kayushin AL, Korosteleva MD, Miroshnikov AI et al. A convenient approach to the synthesis of trinucleotide phosphoramidites--synthons for the generation of oligonucleotide/peptide libraries. Nucleic Acids Res. 1996. 24(19). 3748-3755. doi: 10.1093/nar/24.19.3748
21. Kim HJ, Wenta AJ, Dobrzycki LM et al. Improving the Fidelity of Replication of a Six-Letter DNA Alphabet. ACS Chem Biol. 2025. 20(11). 2787-2797. doi: 10.1021/acschembio.5c00724
22. Kornberg A, Lehman IR, Simms ES. Polydesoxyribonucleotde synthesis by enzyme from Escherichia coli. Federation Proc. 1956. 15(1). 291-292.
23. Michelson AM, Todd AR. Nucleotides part XXXII. Synthesis of a dithymidine dinucleotide containing a 3′: 5′-internucleotidic linkage. Chem. Soc. 1955. 2632-2638. doi: 10.1039/JR9550002632
24. Ono A, Matsuda A, Zhao J et al. The synthesis of blocked triplet-phosphoramidites and their use in mutagenesis. Nucleic Acids Res. 23(22). 4677-4682. doi: 10.1093/nar/23.22.4677
25. Palluk S, Arlow DH, de Rond T et al. De novo DNA synthesis using polymerase-nucleotide conjugates. Nat Biotechnol. 2018. 36(7). 645-650. doi: 10.1038/nbt.4173
26. Shchepinov MS, Mir KU, Elder JK et al. Oligonucleotide dendrimers: stable nano-structures. Nucleic Acids Res. 1999. 27(15). 3035-3041. doi: 10.1093/nar/27.15.3035
27. Shchepinov MS, Udalova IA, Bridgman AJ et al. Oligonucleotide dendrimers: synthesis and use as polylabelled DNA probes. Nucleic Acids Res. 25(22). 4447-4454. doi: 10.1093/nar/25.22.4447
28. Shi A, Liu L, Wang F et al. A practical dinucleotide phosphoramidite chemistry for de novo DNA synthesis via block coupling. Tetrahedron Letters. 2024. 142. 155106. doi: 10.1016/j.tetlet.2024.155106
29. Sondek J, Shortle D. A general strategy for random insertion and substitution mutagenesis: substoichiometric coupling of trinucleotide phosphoramidites. Proc Natl Acad Sci USA. 1992. 89(8). 3581-3585. doi: 10.1073/pnas.89.8.3581
30. Tauraitė D, Jakubovska J, Dabužinskaitė J et al. Modified Nucleotides as Substrates of Terminal Deoxynucleotidyl Transferase. Molecules. 2017. 22(4). 672. doi: 10.3390/molecules22040672
31. Taylor AI, Holliger P. Directed evolution of artificial enzymes (XNAzymes) from diverse repertoires of synthetic genetic polym Nat Protoc. 2015. 10(10). 1625-1642. doi: 10.1038/nprot.2015.104
32. Taylor AI, Houlihan G, Holliger P. Beyond DNA and RNA: The Expanding Toolbox of Synthetic Genetics. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2019. 11(6). a032490. doi: 10.1101/cshperspect.a032490
33. Thakur S, Sinhari A, Jain P et al. A perspective on oligonucleotide therapy: Approaches to patient customization. Front Pharmacol. 2022. 13. 1006304. doi: 10.3389/fphar.2022.1006304
34. Virnekäs B, Ge L, Plückthun A et al. Trinucleotide phosphoramidites: ideal reagents for the synthesis of mixed oligonucleotides for random mutagenesis. Nucleic Acids Res. 1994. 22(25). 5600-5607. doi: 10.1093/nar/22.25.5600
35. Wang G, He C, Zou J et al. Enzymatic Synthesis of DNA with an Expanded Genetic Alphabet Using Terminal Deoxynucleotidyl Transferase. ACS Synth Biol. 2022. 11(12). 4142-4155. doi: 10.1021/acssynbio.2c00456
36. Yin Y, Arneson R, Yuan Y et al. Long oligos: direct chemical synthesis of genes with up to 1728 nucleotides. Chem Sci. 2024. 16(4). 1966-1973. doi: 10.1039/d4sc06958g
37. Zhirnov V, Zadegan RM, Sandhu GS et al. Nucleic acid memory. Nat Mater. 2016. 15(4). 366-370. doi: 10.1038/nmat4594