产学合作新突破！台湾蛋白质计划（Taiwan Protein Project，TPP）由中央研究院生物化学研究所特聘研究员蔡明道院士主持，该计划近期与体学生物科技股份有限公司合作，提出用 DNA 聚合酶启动“下一代 DNA 定序新方法”。研究论文于 108 年 6 月 20 日刊载于《自然科研通讯─生物学期刊》（Nature Research-Communications Biology）。蔡明道表示，本研究是高阶产学合作的成功案例，利用研究团队的生化知识，不但解决业界的实务问题，其突破性成果也对研究领域有重要贡献。
由 A、T、C、G 四种碱基对排列组合的 DNA 是生命的遗传密码。为 DNA 定序，已是当今科学研究、临床医学、药物开发的关键技术（注 1）。然而，目前市面上最常用的 DNA 定序法（注 2）却有 2 个主要局限：须分 2 阶段进行，且须使用化学药剂。不但无形中使定序的成本增加、速度变慢，其读取 DNA 碱基对的数量也较少。对此，体学公司于 2016 年提出一套改良构想，利用 3’ 酯化的脱氧核糖核苷三磷酸（注 3）（dNTP）以及一种来自海底嗜热古菌、名为“Thermococcus sp. 9°N DNA 聚合酶”的酵素，即可一次性完成定序反应。此构想终于在与台湾蛋白质计划合作后，其可行性于近期得到证实。
DNA 聚合酶是生物进行复制 DNA 时所使用的酵素，身为国际酵素专家的蔡明道院士表示，本研究首先证明了 Thermococcus sp. 9°N DNA 聚合酶可催化使用 3’ 酯化的 dNTP 的 DNA 定序反应（注 4），再以质谱技术，证实该反应可连续发生不中断。最后，透过不同颜色的萤光标记后发现，此反应一次即可进行到约 450 个碱基对。未来进一步优化之后，在速度、成本及产量，皆有机会超越既有的方法。
研究团队也强调，这项技术的关键步骤在于反应过程中的中间产物也可被直接侦测，因而免掉了分二阶段进行。研究团队也解析出多个中间产物的晶体 3D 结构，将有助了解此聚合酶方法的运作机制。除了 DNA 定序， 此研究对生物检测及药物开发等皆具应用潜力。
过去将研究成果技转给产业发展的合作模式，常有研究发现无法解决实际问题的尴尬情形。台湾蛋白质计划为行政院政策额度支持的计划，其使命之一，便是协助我国生技产、学、研界，针对实际问题，提出基础研究的突破性解决之道。亦即，在业界尚处于构想阶段时，即透过研究人员参与，引入先进的蛋白质知识与实验技术，提出具体对策。蔡明道也说，本次合作成果也显示台湾业者的提升，不再只是代工，而是从研发中独创。
台湾蛋白质计划的副总经理、生化所吴文晋研究副技师表示，目前本计划已与国内产、学、研等单位取得共 370 件计划成果，其中包含 20 多家生技业者实际面临的问题。此计划提供专业的蛋白质研究团队，也利用国内蛋白质研究所需的精密仪器设施，包含冷冻电子显微镜（Cryo-EM）、国家同步辐射中心、核磁共振光谱及质谱仪等。
本论文由蔡明道院士、吴文晋研究副技师、生化所马左仲客座助理教授及体学生物科技公司林吴宣炜博士、蔡廷岳博士、纪宏文博士、邱创汎技术长、李锺熙董事长等人共同提出。论文标题为 “Thermococcus sp. 9°N DNA polymerase exhibits 3′-esterase activity that can be harnessed for DNA sequencing”。
▲ 正在反应中的 Thermococcus sp. 9°N DNA 聚合酶 3D 立体结构（图左绿色块状物），其本身即可执行将 dNTP 的 3’ 酯剪下（图右中间黄色条状物），并引入 DNA，一次性完成 DNA 定序反应。
注 1：DNA 定序未来将有更多应用，包含健康管理、癌症标靶用药参考、个人化医疗等，甚至可用在环境检测、打击犯罪面向，随着科技进步与普及，更将扩大其市场规模。
注 2：美国生技公司 Illumina 使用的“循环可逆终止法”，先以化学试剂修饰 dNTP，在每个循环中，皆须暂停切割，因此有速度慢、读取长度较短等局限。
注 3：DNA 的基本单位是核苷酸，每个核苷酸的化学式中，都有一五碳糖，五碳糖有 5 个端点，第 3 个端点即为 3’ 端。3’ 端在 DNA 复制、转译及定序的反应都有重要角色。本次研究使用将 3’ 端酯化后形成的特殊核苷酸进行定序反应
注 4：Thermococcus sp. 9°N DNA 聚合酶可催化 3’ 酯化的核苷三磷酸引入 DNA 进行读取、复制等反应。
（首图来源：shutterstock）
