DNA是生物、医学、信息等多学科的底层研究材料。近年来，生物技术和信息技术的快速发展及交叉融合，对人工合成的DNA材料提出了更高的要求。然而，现有的DNA制备技术难以从纯度、产量、长度和序列自定义等方面满足科研及商业需求。

近日，上海交通大学化学化工学院顾宏周研究员团队在Angewandte Chemie（《德国应用化学》）期刊上发表了题为Catalytic DNA-Assisted Mass Production of Arbitrary Single-Stranded DNA的研究论文，基于两类自驱动DNA酶（DNAzyme）和噬菌体扩增，开发配对式末端特异自我水解切割的PECAN（paired-end cutting assisted by DNAzymes）技术，实现了单碱基精度的任意长度、任意序列DNA的大规模制备。该团队同时展示了PECAN法制备的高品质DNA序列在RNA原位检测、基因编辑和DNA信息存储等多个领域的应用优势。

基于重组噬菌粒的生物放大法可产生大量前体单链DNA。已有研究表明，自切割型DNA酶（如I-R3）可代替限制性内切酶（蛋白酶），对前体进行自驱动式裁剪，从而显著降低目标DNA序列的制备成本，并达成大规模生产。然而，现有的DNA酶在切割位点处具有数个保守碱基，导致自我裁剪后获得的单链DNA在末端含有保守（疤痕）序列，限制了其在下游的应用。

本工作中，研究人员通过定点突变、退化再进化等方式进行体外筛选优化，获得了两类分别在切割位点上游（II-R2/3）或下游（13PD1）具备序列通用性的DNA酶，并进一步地以配对组合使用的方式（PECAN）克服了此前DNA酶辅助制备单链DNA序列存在的疤痕瓶颈。研究人员展示了PECAN技术可制备出纯度高达98.5%、长度接近上万碱基、成本低于化学合成3-4个数量级、产量可至克-公斤级的单链DNA序列。

研究人员在多个新兴领域对PECAN DNA进行了示范性应用，例如：1）制备了DNA锁式探针，应用于细胞和病理切片中的 RNA 原位检测。与化学合成的DNA探针相比，PECAN法制备的DNA探针具有更高效的检测效率；2）制备了可用作基因敲入的单链DNA模板，实现了效率高、脱靶率低的基因敲入；3）制备了长度接近上万碱基的长单链DNA，应用于DNA信息存储，有效克服当前围绕寡核苷酸DNA序列进行信息存储所普遍存在的高冗余度瓶颈。

综上，该工作实现了序列完全自定义单链DNA的高效制备，其低成本、高纯度、高产量、可扩展的优势有望满足不同研究领域对DNA的制备需求，促进更多下游应用的诞生和发展。

据悉，博士生张俏、博士后夏凯、华侨大学医学院研究生姜萌为本文的共同第一作者，顾宏周研究员为本文的通讯作者。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202212011