KR101264295B1 - Hierarchial Gene Synthesis Methods of a Target Nucleic Acid Sequence - Google Patents

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Abstract

본 발명은 1 kb 이상의 타겟 핵산서열의 계층적(Hierarchical) 제조방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 다중 층(multiple layers)으로 이루어진 플랭킹 DNA 서열을 포함하는 DNA 마이크로칩(microchip)에서 합성 된 올리고뉴클레오타이드를 이용하여 종래의 방법으로는 불가능하였던 1 kb 이상의 타겟 핵산서열 합성을 효과적으로 실시할 수 있다. 또한, 본 발명의 방법을 통한 유전자 합성 비용은 레진-기반된 올리고뉴클레오타이드를 이용한 종래 방법에 비해 3배 이상 저렴하다. 따라서, 본 발명의 방법은 유전자 합성 비용을 현저하게 감소시킬 수 있는 매우 우수한 수단을 제공한다.The present invention provides a hierarchical method of preparing a target nucleic acid sequence of 1 kb or more. The method of the present invention effectively utilizes oligonucleotides synthesized from DNA microchips comprising flanking DNA sequences composed of multiple layers to effectively synthesize target nucleic acid sequences of 1 kb or more, which were not possible with conventional methods. It can be carried out. In addition, the cost of gene synthesis through the method of the present invention is more than three times cheaper than conventional methods using resin-based oligonucleotides. Thus, the method of the present invention provides a very good means to significantly reduce the cost of gene synthesis.

Description

타겟 핵산서열의 계층적 제조방법{Hierarchial Gene Synthesis Methods of a Target Nucleic Acid Sequence}Hierarchial Gene Synthesis Methods of a Target Nucleic Acid Sequence

본 발명은 1 kb 이상의 타겟 핵산서열의 계층적 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for hierarchically preparing a target nucleic acid sequence of 1 kb or more.

거대한 DNA 스트레치(stretches)(즉, 200 bp부터 전체 게놈 크기의 DNA)를 구축하는 기술은 화학 및 생물학의 많은 분야에 적용될 수 있다(Czar et al ., 2009; Mueller et al ., 2009). 예를 들어, 많은 합성 방법들은 생물학적 시스템을 탐침하기 위해 단백질-인코딩 서열, 그리고 바이러스 및 미생물 게놈의 데 노보(de novo) 구축용으로 개발되어 왔다(Cello et al ., 2002; Gibson et al ., 2008; Gibson et al . 2010; Hutchison et al ., 2005; Kodumal et al ., 2004; Tian et al ., 2009; Tumpey et al ., 2005). 최근에 백신 개발을 위한 약화된 바이러스 게놈의 합성(Coleman et al ., 2008; Mueller et al ., 2010), 그리고 효과적인 생물학적 약물 생산을 위한 코돈-최적화된 항체 서열의 합성(Welch et al ., 2009)은 의약 적용을 위한 DNA 구축의 유용성을 추가적으로 증명해 준다.Techniques for constructing large DNA stretches (ie, 200 bp to full genome-sized DNA) can be applied to many areas of chemistry and biology (Czar et al. al . , 2009; Mueller et al . , 2009). For example, many protein synthesis methods to probe the biological system has been developed for the encoding sequence, and build the virus and having novo (de novo) of the microbial genome (Cello et al . , 2002; Gibson et al . , 2008; Gibson et al . 2010; Hutchison et al . , 2005; Kodumal et al . , 2004; Tian et al . , 2009; Tumpey et al . , 2005). Recently, synthesis of attenuated viral genomes for vaccine development (Coleman et al. al . , 2008; Mueller et al . , 2010), and the synthesis of codon-optimized antibody sequences for effective biological drug production (Welch et al . , 2009) further demonstrates the usefulness of DNA construction for medical applications.

긴 DNA 서열은 다중 중첩성(overlapping) 합성 올리고뉴클레오타이드 및 과도한 양의 플랭킹 프라이머 서열을 이용한 PCR(polymerase chain reaction)을 통해 어셈블리될 수 있다(Stemmer et al ., 1995). 또한, 효과적인 어셈블리는 PCR과 조합된 LCR(ligase chain reaction)에 의해 실시될 수 있다(Smith et al., 2003). 하지만, 올리고뉴클레오타이드의 고-비용(high-cost) 및 높은 합성 오류율(error rates)(Bang and Church, 2008; Smith et al ., 2003)이 저-비용 유전자 합성에 2개의 주요한 장애요인이다. 이로 인해, DNA 합성용 저-비용 기술의 개발이 시급히 요구되고 있다.Long DNA sequences can be assembled via polymerase chain reaction (PCR) using multiple overlapping synthetic oligonucleotides and excessive amounts of flanking primer sequences (Stemmer et. al . , 1995). In addition, effective assembly can be performed by a ligase chain reaction (LCR) combined with PCR (Smith et al. , 2003). However, the high-cost and high synthetic error rates of oligonucleotides (Bang and Church, 2008; Smith et. al . , 2003) are two major barriers to low-cost gene synthesis. For this reason, the development of low-cost techniques for DNA synthesis is urgently required.

현재, 긴 DNA 서열의 합성을 위한 저비용 올리고뉴클레오타이드 합성을 위한 서로 다른 2개의 접근방법이 존재한다. 첫 번째 접근방식으로, Quake 그룹은 16개의 올리고뉴클레오타이드들을 합성하기 위해 전통적으로 조절된 동공 유리 레진(pore glass resin) 및 미세유체장치를 이용하여 200 bp DNA 분자를 어셈블리하였다(Lee et al ., 2010). 상기 접근방식은 미세유체장치로부터 상기 합성 올리고뉴클레오타이드들이 추가적인 증폭 없이 어셈블리를 위해 이용될 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 작은 수의 올리고뉴클레오타이드들만이 상기 장치로부터 합성될 수 있기 때문에 상기 접근방식의 확장가능성(scalability)은 여전히 제한적이다.Currently, there are two different approaches for low cost oligonucleotide synthesis for the synthesis of long DNA sequences. In a first approach, the Quake group assembled 200 bp DNA molecules using conventionally controlled pore glass resin and microfluidic devices to synthesize 16 oligonucleotides (Lee et al . , 2010). This approach has the advantage that the synthetic oligonucleotides from the microfluidic device can be used for assembly without further amplification. However, the scalability of the approach is still limited because only a small number of oligonucleotides can be synthesized from the device.

저-비용 DNA 합성 방법을 개발하기 위한 또 다른 노력으로, Tian 등은 절단될 수 있는 DNA 마이크로칩으로부터 유래된 DNA 올리고뉴클레오타이드를 이용하는 방법을 고안하였다(Tian et al., 2004). 수백개의 올리고뉴클레오타이드들이 프로그램될 수 있는(programmable) Atactic 칩(Houston, TX) 상에서 합성되어 절단되고 증폭되었으며, 이후 올리고뉴클레오타이드들은 E. coli 리보좀 단백질을 인코딩하는 21개의 유전자로 어셈블리되었다(Tian et al., 2004). 다중 DNA 분자를 구축하기 위해, 유사한 합성 방법이 DNA 마이크로칩을 이용하여 실시되었다(Richmond et al ., 2004; Zhou et al ., 2004). 보다 최근에, 마이크로어레이 올리고뉴클레오타이드를 이용한 블락-기반된 유전자 어셈블리 방법이 제안되었다(Borovkov et al., 2010). 놀랍게도, 상기 블락-기반된 합성 전략은 올리고뉴클레오타이드 증폭 단계의 필요성을 제거하여 유전자 합성 과정을 단순화시킨다. 하지만, 상술한 모든 마이크로어레이-기반된 유전자 합성 방법들은 작은 크기의 DNA 분자(1 kb 미만)의 구축에 제한되어 왔는데, 이는 마이크로칩-유래된 올리고뉴클레오타이드를 이용한 긴 DNA 분자를 구축하는 데 어려움이 존재하기 때문이다: 21 DNA 단편들을 이용하여 어셈블리된 14.6 kb DNA의 구축은 매우 예외적인 경우였다(Tian et al ., 2004).In another effort to develop low-cost DNA synthesis methods, Tian et al. Designed a method using DNA oligonucleotides derived from DNA microchips that can be cleaved (Tian et al., 2004). Hundreds of oligonucleotides were synthesized, cleaved and amplified on programmable Atactic chips (Houston, TX), after which the oligonucleotides were assembled into 21 genes encoding E. coli ribosomal proteins (Tian et al. , 2004). To construct multiple DNA molecules, similar synthetic methods were carried out using DNA microchips (Richmond et. al . , 2004; Zhou et al . , 2004). More recently, block-based gene assembly methods using microarray oligonucleotides have been proposed (Borovkov et al. , 2010). Surprisingly, the block-based synthesis strategy simplifies the gene synthesis process by eliminating the need for an oligonucleotide amplification step. However, all the microarray-based gene synthesis methods described above have been limited to the construction of small sized DNA molecules (less than 1 kb), which makes it difficult to construct long DNA molecules using microchip-derived oligonucleotides. This is because: the construction of 14.6 kb DNA assembled using 21 DNA fragments was a very exceptional case (Tian et. al . , 2004).

따라서, 보다 긴 DNA 분자를 효과적으로 어셈블리시킬 수 있는 방법이 당업계에서 시급히 요구되고 있는 실정이다.
Therefore, there is an urgent need in the art for a method for effectively assembling longer DNA molecules.

본 명세서 전체에 걸쳐 다수의 논문 및 특허문헌이 참조되고 그 인용이 표시되어 있다. 인용된 논문 및 특허문헌의 개시 내용은 그 전체로서 본 명세서에 참조로 삽입되어 본 발명이 속하는 기술 분야의 수준 및 본 발명의 내용이 보다 명확하게 설명된다.
Numerous papers and patent documents are referenced and cited throughout this specification. The disclosures of the cited papers and patent documents are incorporated herein by reference in their entirety to better understand the state of the art to which the present invention pertains and the content of the present invention.

본 발명자들은 1 kb 이상의 타겟 핵산서열을 보다 경제적이고 효율적으로 합성하는 신규한 방법을 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 다중 공통적 프라이머 서열 및 최소 2개 이상의 제한효소 인지서열을 포함하는 다중 층(multiple layers)으로 이루어진 플랭킹 DNA 서열을 포함하는 DNA 마이크로칩으로부터 유래된 올리고뉴클레오타이드 풀을 이용하여 1 kb 이상의 타겟 핵산서열을 합성할 수 있다는 것을 발견함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.The present inventors have tried to develop a novel method of synthesizing a target nucleic acid sequence of 1 kb or more more economically and efficiently. As a result, the inventors have used oligonucleotide pools derived from DNA microchips comprising flanking DNA sequences consisting of multiple layers containing multiple common primer sequences and at least two restriction enzyme recognition sequences. The present invention has been completed by discovering that a target nucleic acid sequence of kb or more can be synthesized.

본 발명의 목적은 타겟 핵산서열의 계층적(Hierarchical) 제조방법을 제공한다.
It is an object of the present invention to provide a method for producing a hierarchical preparation of a target nucleic acid sequence.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 보다 명확하게 된다.
Other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명의 일 양태에 따르면, 본 발명은 다음의 단계를 포함하는 타겟 핵산서열의 계층적(Hierarchical) 제조방법을 제공한다: (a) 5' to 3' 방향으로 5'-말단 제1공통적 프라이밍 서열(generic priming sequence), 제1차 5'-제한효소 절단 서열, 중첩하는(overlapping) 타겟 일부 서열, 제1차 3'-제한효소 절단 서열 및 3'-말단 제1공통적 프라이밍 서열을 포함하는 올리고뉴클레오타이드 풀을 준비하는 단계; 상기 올리고뉴클레오타이드 풀에 있는 상기 중첩하는 타겟 일부 서열들은 서로 중첩하는 경우 타겟 핵산서열 전체를 포함하며, 상기 올리고뉴클레오타이드의 제1차 5'-제한효소 절단 서열과 제1차 3'-제한효소 절단 서열은 서로 동일하며; 상기 올리고뉴클레오타이드 풀 중에서 제1중간산물의 5'-말단 부위를 생성시키기 위한 제1올리고뉴클레오타이드는 5'-제한효소 절단 서열의 다운스트림에 5' to 3' 방향으로 5'-제2공통적 프라이밍 서열과 제2차 5'-제한효소 절단 서열을 추가적으로 포함하고, 제1중간산물의 3'-말단 부위를 생성시키기 위한 제2올리고뉴클레오타이드는 3'-제한효소 절단 서열의 업스트림에 3' to 5' 방향으로 3'-제2공통적 프라이밍 서열과 제2차 3'-제한효소 절단 서열을 추가적으로 포함하며; 제2중간산물의 5-말단 부위를 생성시키기 위한 제3올리고뉴클레오타이드는 5'-제한효소 절단 서열의 다운스트림에 5' to 3' 방향으로 5'-제3공통적 프라이밍 서열과 제3차 5'-제한효소 절단 서열을 포함하고, 제2중간산물의 3'-말단 부위를 생성시키기 위한 제4올리고뉴클레오타이드는 3'-제한효소 절단 서열의 업스트림에 3' to 5' 방향으로 3'-제3공통적 프라이밍 서열과 제3차 3'-제한효소 절단 서열을 추가적으로 포함하고; (b) 상기 올리고뉴클레오타이드 풀을 상기 5'-말단 제1공통적 프라이밍 서열 및 3'-말단 제1공통적 프라이밍 서열에 혼성화 되는 제1차 프라이머 세트를 이용하여 PCR(polymerase chain reaction) 증폭하는 단계; (c) 상기 단계 (b)의 증폭 결과물을 상기 제1차 5'-제한효소 절단 서열과 제1차 3'-제한효소 절단 서열에 작용하는 제한효소로 절단하는 단계; 상기 절단에 의해 상기 5'-말단 제1공통적 프라이밍 서열 및 3'-말단 제1공통적 프라이밍 서열이 상기 올리고뉴클레오타이드로 풀로부터 해리(release) 되고; 상기 제1올리고뉴클레오타이드의 5'-말단에 제2공통적 프라이밍 서열이 위치하고, 상기 제2올리고뉴클레오타이드의 3'-말단에 제2공통적 프라이밍 서열이 위치하며, 상기 제3올리고뉴클레오타이드의 5'-말단에 제3공통적 프라이밍 서열이 위치하고, 상기 제4올리고뉴클레오타이드의 3'-말단에 제3공통적 프라이밍 서열이 위치하며; (d) (i) 상기 제1올리고뉴클레오타이드의 제2공통적 프라이밍 서열 및 제2올리고뉴클레오타이드의 제2공통적 프라이밍 서열에 혼성화 되는 프라미어 세트를 포함하는 제1어셈블리 증폭 반응물 1 및 (ii) 상기 제3올리고뉴클레오타이드의 제3공통적 프라이밍 서열 및 제4올리고뉴클레오타이드의 제3공통적 프라이밍 서열에 혼성화 되는 프라이머 세트를 포함하는 제1어셈블리 증폭 반응물 2를 이용하여 제1차어셈블리 PCR을 실시하여 각각 제1중간산물(intermediates) 및 제2중간산물을 생성시키는 단계; (e) 상기 단계 (d)의 제1중간산물 및 제2중간산물을 (i) 상기 제1올리고뉴클레오타이드의 제2차 5'-제한효소 절단 서열과 상기 제2올리고뉴클레오타이드의 제2차 3'-제한효소 절단 서열에 작용하는 제한효소 및 (ii) 상기 제3올리고뉴클레오타이드의 제3차 5'-제한효소 절단 서열과 상기 제4올리고뉴클레오타이드의 제3차 3'-제한효소 절단 서열에 작용하는 제한효소로 절단하는 단계; 및 (f) 상기 단계 (e)의 결과물을 어셈블리 하여 타겟 핵산서열을 수득하는 단계.
According to one aspect of the present invention, the present invention provides a method for making a hierarchical preparation of a target nucleic acid sequence comprising the following steps: (a) 5'-end first common priming in the 5 'to 3' direction Comprising a generic priming sequence, a first 5'-restriction cleavage sequence, an overlapping target portion sequence, a first 3'-restriction cleavage sequence, and a 3'-terminal first common priming sequence Preparing an oligonucleotide pool; Some of the overlapping target sequences in the oligonucleotide pool comprise the entire target nucleic acid sequence when they overlap each other, and the primary 5′-limiting enzyme cleavage sequence and the primary 3′-limiting enzyme cleavage sequence of the oligonucleotide Are the same as each other; The first oligonucleotide for generating the 5'-terminal portion of the first intermediate product in the oligonucleotide pool is a 5'-second common priming sequence in the 5 'to 3' direction downstream of the 5'-restriction cleavage sequence. And a second oligonucleotide to further generate a 3'-terminal portion of the first intermediate product, wherein the second oligonucleotide further comprises a 3 'to 5' upstream of the 3'-restriction cleavage sequence. Additionally a 3'-second common priming sequence and a second 3'-restriction cleavage sequence in the direction; The third oligonucleotide for generating the 5-terminal portion of the second intermediate product is a 5'-third common priming sequence and a third 5 'in the 5' to 3 'direction downstream of the 5'-restriction cleavage sequence. A fourth oligonucleotide comprising a restriction enzyme cleavage sequence, wherein the fourth oligonucleotide for generating the 3'-terminal portion of the second intermediate is 3'-third in a 3 'to 5' direction upstream of the 3'-restriction cleavage sequence Further comprises a common priming sequence and a tertiary 3′-limiting enzyme cleavage sequence; (b) amplifying the oligonucleotide pool with a polymerase chain reaction (PCR) using a first primer set that hybridizes to the 5'-terminal first common priming sequence and the 3'-terminal first common priming sequence; (c) cleaving the amplification product of step (b) with a restriction enzyme that acts on the first 5′-limiting enzyme cleavage sequence and the first 3′-limiting enzyme cleavage sequence; The cleavage causes the 5′-terminal first common priming sequence and 3′-terminal first common priming sequence to be released from the pool into the oligonucleotides; A second common priming sequence is located at the 5'-end of the first oligonucleotide, a second common priming sequence is located at the 3'-end of the second oligonucleotide, and a 5'-end of the third oligonucleotide. A third common priming sequence is located, and a third common priming sequence is located at the 3′-end of the fourth oligonucleotide; (d) a first assembly amplification reactant 1 comprising (i) a set of primers hybridizing to a second common priming sequence of the first oligonucleotide and a second common priming sequence of the second oligonucleotide and (ii) the third A first assembly amplification reaction was carried out using a first assembly amplification reactant 2 comprising a primer set hybridized to a third common priming sequence of the oligonucleotide and a third common priming sequence of the fourth oligonucleotide to obtain a first intermediate product. intermediates) and a second intermediate product; (e) replacing the first intermediate product and the second intermediate product of step (d) with (i) the second 5′-limiting enzyme cleavage sequence of the first oligonucleotide and the second 3 ′ of the second oligonucleotide. A restriction enzyme that acts on the restriction enzyme cleavage sequence and (ii) a third 5'-limiter cleavage sequence of the third oligonucleotide and a third 3'-limiter cleavage sequence of the fourth oligonucleotide Cleaving with restriction enzymes; And (f) assembling the result of step (e) to obtain a target nucleic acid sequence.

본 발명자들은 1 kb 이상의 타겟 핵산서열을 보다 경제적이고 효율적으로 합성하는 신규한 방법을 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 본 발명자들은 다중 층(multiple layers)으로 이루어진 플랭킹 DNA 서열을 포함하는 DNA 마이크로칩으로부터 유래된 올리고뉴클레오타이드 풀을 이용하여 1 kb 이상의 타겟 핵산서열을 합성할 수 있다는 것을 발견하였다.The present inventors have tried to develop a novel method of synthesizing a target nucleic acid sequence of 1 kb or more more economically and efficiently. As a result, the present inventors have found that a target nucleic acid sequence of 1 kb or more can be synthesized using an oligonucleotide pool derived from a DNA microchip comprising flanking DNA sequences composed of multiple layers.

본 발명은 DNA 마이크로칩-유래된 올리고뉴클레오타이드를 이용하여 타겟 핵산서열을 합성하는 방법으로, 종래기술과 다르게 1 kb 이상의 타겟 핵산서열을 보다 경제적이고 효율적으로 합성할 수 있는 방법을 제공한다. 본 발명의 방법에 서, 본 발명의 올리고뉴클레오타이드를 이용하여 보다 큰 유전자(> 1 kb)를 확장 가능하게(scalable) 합성할 수 있다.The present invention provides a method for synthesizing a target nucleic acid sequence using a DNA microchip-derived oligonucleotide, which is more economically and efficiently synthesized than 1 kb or more target nucleic acid sequences. In the method of the present invention, oligonucleotides of the present invention can be used to scale up larger genes (> 1 kb).

바람직하게는, 본 발명에서 이용되는 올리고뉴클레오타이드 풀은 DNA 마이크로칩으로부터 유래하며, 상기 올리고뉴클레오타이드들은 다중 층(multiple layers)의 DNA 플랭킹 서열을 포함한다.Preferably, the oligonucleotide pools used in the present invention are derived from DNA microchips, wherein the oligonucleotides comprise multiple layers of DNA flanking sequences.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 올리고뉴클레오타이드들은 5'-말단 제1공통적 프라이밍 서열, 제1차 5'-제한효소 절단 서열, 중첩하는(overlapping) 타겟 일부 서열, 제1차 3'-제한효소 절단 서열 및 3'-말단 제1공통적 프라이밍 서열로 이루어져 있다.According to a preferred embodiment of the invention, the oligonucleotides of the invention are 5'-terminal first common priming sequence, primary 5'-restriction cleavage sequence, overlapping target partial sequence, primary 3 ' A restriction enzyme cleavage sequence and a 3'-terminal first common priming sequence.

상기 올리고뉴클레오타이드의 양 말단에 존재하는 제1공통적 프라이머 서열 쌍은 DNA 칩으로부터 유래된 올리고뉴클레오타이드의 양을 증폭하기 위한 용도로, 충분한 양의 이중 가닥-올리고뉴클레오타이드(ds-oligonucleotides)들을 생산하기 위한 프라이머 세트의 어닐링 위치로 이용된다.The first common primer sequence pairs present at both ends of the oligonucleotides are for amplifying the amount of oligonucleotides derived from a DNA chip, and primers for producing a sufficient amount of double-stranded-oligonucleotides. Used as an annealing position of the set.

본 명세서에서 용어 뉴클레오타이드는 단일가닥 또는 이중가닥 형태로 존재하는 디옥시리보뉴클레오타이드 또는 리보뉴클레오타이드이며, 다르게 특별하게 언급되어 있지 않은 한 자연의 뉴클레오타이드의 유사체를 포함한다(Scheit, Nucleotide Analogs, John Wiley, New York(1980); Uhlman 및 Peyman, Chemical Reviews, 90:543-584(1990)).As used herein, the term nucleotide is a deoxyribonucleotide or ribonucleotide that exists in single- or double-stranded form and includes analogs of natural nucleotides unless otherwise specified (Scheit, Nucleotide). Analogs , John Wiley, New York (1980); Uhlman and Peyman, Chemical Reviews , 90: 543-584 (1990)).

본 발명의 바람직한 구현 예에 따르면, 본 발명의 유전자 증폭은 PCR에 의해 실시된다. 본 발명의 바람직한 구현 예에 따르면, 본 발명의 프라이머는 유전자 증폭 반응(amplification reactions)에 이용된다.According to a preferred embodiment of the invention, the gene amplification of the invention is carried out by PCR. According to a preferred embodiment of the present invention, the primers of the present invention are used for gene amplification reactions.

본 명세서에서 사용되는 용어 프라이머는 올리고뉴클레오타이드를 의미하는 것으로, 핵산쇄(주형)에 상보적인 프라이머 연장 산물의 합성이 유도되는 조건, 즉, 뉴클레오타이드와 DNA 중합효소와 같은 중합제의 존재, 그리고 적합한 온도와 pH의 조건에서 합성의 개시점으로 작용할 수 있다. 바람직하게는, 프라이머는 디옥시리보뉴클레오타이드이며 단일쇄이다. 본 발명에서 이용되는 프라이머는 자연(naturally occurring) dNMP(즉, dAMP, dGMP, dCMP 및 dTMP), 변형 뉴클레오타이드 또는 비-자연 뉴클레오타이드를 포함할 수 있다. 또한, 프라이머는 리보뉴클레오타이드도 포함할 수 있다.The term primer, as used herein, refers to oligonucleotides, conditions under which the synthesis of primer extension products complementary to the nucleic acid chain (template) is induced, i.e., the presence of polymerizers such as nucleotides and DNA polymerases, and suitable temperatures. It can serve as the starting point of synthesis under the condition of and pH. Preferably, the primer is a deoxyribonucleotide and is a single strand. The primers used in the present invention may include naturally occurring dNMPs (i.e., dAMP, dGMP, dCMP and dTMP), modified nucleotides or non-natural nucleotides. In addition, the primers may also include ribonucleotides.

프라이머는 중합제(예컨대, DNA 폴리머라제)의 존재 하에서 연장 산물의 합성을 프라이밍시킬 수 있을 정도로 충분히 길어야 한다. 프라이머의 적합한 길이는 다수의 요소, 예컨대, 온도, 응용분야 및 프라이머의 소스(source)에 따라 변화가 있지만 전형적으로 15-30 뉴클레오타이드이다. 짧은 프라이머 분자는 주형과 충분히 안정된 혼성 복합체를 형성하기 위하여 일반적으로 보다 낮은 온도를 요구한다. 본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 프라이머는 컴퓨터 프로그램인 Per1 프로그램을 이용하여 제작된다.The primer should be long enough to prime the synthesis of the extension product in the presence of a polymerizer (eg DNA polymerase). Suitable lengths of primers are typically 15-30 nucleotides, although varying depending on a number of factors, such as temperature, application and source of the primer. Short primer molecules generally require lower temperatures to form hybrid complexes that are sufficiently stable with the template. According to a preferred embodiment of the present invention, the primer of the present invention is produced using the Per1 program which is a computer program.

본 명세서에서 사용되는 용어 어닐링 또는 프라이밍은 주형 핵산에 올리고디옥시뉴클레오타이드 또는 핵산이 병치(apposition)되는 것을 의미하며, 상기 병치는 중합효소가 뉴클레오타이드를 중합시켜 주형 핵산 또는 그의 일부분에 상보적인 핵산 분자를 형성하게 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 혼성화(hybridization)" 는 2개의 단일 가닥 핵산이 상보적인 염기 서열들의 페어링(pairing)에 의하여 이합체 구조(duplex structure)를 형성하는 것을 의미한다. 혼성화는 단일 가닥 핵산 서열 간의 상보성이 완전할 경우(perfect match) 일어나거나 일부 미스매치(mismatch) 염기가 존재하여도 일어날 수 있다. 혼성화에 필요한 상보성의 정도는 혼성화 반응 조건에 따라 달라질 수 있으며, 특히 온도에 의하여 조절될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어어닐링과 혼성화는 차이가 없으며, 본 명세서에서 혼용된다.As used herein, the term annealing or priming refers to the placement of oligodioxynucleotides or nucleic acids into a template nucleic acid, wherein the polymerase polymerizes the nucleotides to form a nucleic acid molecule that is complementary to the template nucleic acid or portion thereof. To form. The term hybridization, as used herein, means that two single stranded nucleic acids form a duplex structure by pairing complementary base sequences. Hybridization refers to the complementarity between single stranded nucleic acid sequences. This perfect match may occur or even if some mismatch base is present The degree of complementarity required for hybridization may vary depending on the hybridization reaction conditions, and in particular may be controlled by temperature. As used herein, the term annealing and hybridization do not differ and are used interchangeably herein.

본 발명의 방법에 따르면, 본 발명은 제1공통적 프라이밍 서열에 혼성화되는 프라이머 세트를 이용하여 올리고뉴클레오타이드 풀의 증폭한 후 제한효소 절단을 실시한다. 이후, 상기 올리고뉴클레오타이드 풀 중에서 제1중간산물 및 제2중간산물을 생산하기 위한 어셈블리 PCR을 서로 독립적인 반응물에서 실시하여 합성한다. 최종적으로, 상기 제1중간산물 및 제2중간산물의 어셈블리 PCR을 실시하여 1 kb 이상의 타겟 핵산서열을 제조한다.According to the method of the present invention, the present invention performs restriction enzyme cleavage after amplification of the oligonucleotide pool using a primer set hybridized to the first common priming sequence. Subsequently, assembly PCR for producing a first intermediate product and a second intermediate product in the oligonucleotide pool is performed by reacting with each other independently from each other. Finally, assembly PCR of the first intermediate product and the second intermediate product is performed to prepare a target nucleic acid sequence of 1 kb or more.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 중첩하는(overlapping) 타겟 일부 서열은 서로 중첩하는 경우 타겟 핵산서열 전체를 포함한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the overlapping target portion sequence includes the entire target nucleic acid sequence when overlapping each other.

본 발명은 타겟 핵산서열을 합성하기 위해 중간산물(intermediates)을 이용한다.The present invention uses intermediates to synthesize target nucleic acid sequences.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 중간산물들은 서로 독립적으로 합성된다.According to a preferred embodiment of the invention, the intermediates are synthesized independently of each other.

보다 상세하게는, 본 발명의 제1중간산물은 상기 단계 (a)에서 증폭된 올리고뉴클레오타이드들의 어셈블리 PCR을 통해 제조된다. 상기 올리고뉴클레오타이드들은 서로 중첩하는 서열을 포함한다. 상기 중첩하는 서열은 상기 올리고뉴클레오타이드 서열 중 일부의 상보적인 서열을 의미하고, 이는 상기 제1중간산물을 생산하기 위한 올리고뉴클레오타이드의 순차적인 어셈블리를 가능하도록 디자인된다. 바람직하게는, 제1중간산물의 5'-말단 부위를 생성시키기 위한 제1올리고뉴클레오타이드는 5'-제한효소 절단 서열의 다운스트림에 5' to 3' 방향으로 5'-제2공통적 프라이밍 서열과 제2차 5'-제한효소 절단 서열을 추가적으로 포함하고, 제1중간산물의 3'-말단 부위를 생성시키기 위한 제2올리고뉴클레오타이드는 3'-제한효소 절단 서열의 업스트림에 3' to 5' 방향으로 3'-제2공통적 프라이밍 서열과 제2차 3'-제한효소 절단 서열을 추가적으로 포함한다. 또한, 제1올리고뉴클레오타이드와 제2올리고뉴클레오타이드 사이에 존재하는 제1중간산물을 구성하는 수개의 올리고뉴클레오타이드들은 순차적으로 어셈블리되는 중첩하는 서열을 포함하고 있을 뿐, 제1올리고뉴클레오타이드 및 제2올리고뉴클레오타이드의 플랭킹 서열들을 포함하지 않는다. 또한, 제2중간산물도 5'-말단 부위를 생성시키기 위한 제3올리고뉴클레오타이드는 5'-제한효소 절단 서열의 다운스트림에 5' to 3' 방향으로 5'-제3공통적 프라이밍 서열과 제3차 5'-제한효소 절단 서열을 추가적으로 포함하고, 제2중간산물의 3'-말단 부위를 생성시키기 위한 제4올리고뉴클레오타이드는 3'-제한효소 절단 서열의 업스트림에 3' to 5' 방향으로 3'-제3공통적 프라이밍 서열과 제3차 3'-제한효소 절단 서열을 추가적으로 포함한다.More specifically, the first intermediate product of the present invention is prepared by assembly PCR of oligonucleotides amplified in step (a). The oligonucleotides comprise sequences that overlap each other. The overlapping sequence refers to the complementary sequence of some of the oligonucleotide sequences, which is designed to enable sequential assembly of oligonucleotides to produce the first intermediate product. Preferably, the first oligonucleotide for generating the 5'-terminal portion of the first intermediate product comprises a 5'-second common priming sequence downstream of the 5'-restriction cleavage sequence in a 5 'to 3' direction. The second oligonucleotide, further comprising a second 5'-restriction cleavage sequence, for generating the 3'-terminal portion of the first intermediate product, is directed 3 'to 5' upstream of the 3'-restriction cleavage sequence. Further comprising a 3'-second common priming sequence and a second 3'-restriction cleavage sequence. In addition, several oligonucleotides constituting the first intermediate product present between the first oligonucleotide and the second oligonucleotide contain only overlapping sequences that are sequentially assembled, Flanking sequences are not included. In addition, the third oligonucleotide for generating the 5′-terminal portion of the second intermediate may also be formed by the 5′-third common priming sequence and the 3 ′ in the 5 ′ to 3 ′ direction downstream of the 5′-restriction cleavage sequence. The fourth oligonucleotide, which further comprises a primary 5'-restriction cleavage sequence, to generate the 3'-terminal portion of the second intermediate product, is a 3 'to 5' direction upstream of the 3'-restriction cleavage sequence. Additionally comprises a '-third common priming sequence and a third tertiary' restriction enzyme cleavage sequence.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (a)의 제1중간산물의 양 말단은 5' to 3' 방향으로 제1올리고뉴클레오타이드 및 제2올리고뉴클레오타이드로 이루어져 있으며, 상기 단계 (a)의 제2중간산물의 양 말단은 5' to 3' 방향으로 제3올리고뉴클레오타이드 및 제4올리고뉴클레오타이드로 이루어져 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, both ends of the first intermediate product of step (a) are composed of the first oligonucleotide and the second oligonucleotide in the 5 'to 3' direction, the second step of (a) Both ends of the intermediate product consist of the third oligonucleotide and the fourth oligonucleotide in the 5 'to 3' direction.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (a)의 제1중간산물 및 제2중간산물을 형성하는 올리고뉴클레오타이드의 수는 타겟 핵산서열의 길이에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 1 kb 이상의 타겟 핵산서열의 합성에서 이용되는 제1중간산물 및 제2중간산물을 형성하는 올리고뉴클레오타이드의 수는 최소 3개 이상이며, 보다 바람직하게는 최소 4개 이상이고, 보다 더 바람직하게는 최소 5개 이상이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the number of oligonucleotides forming the first intermediate product and the second intermediate product of step (a) may be determined according to the length of the target nucleic acid sequence. For example, the number of oligonucleotides forming the first intermediate product and the second intermediate product used in the synthesis of the target nucleic acid sequence of 1 kb or more is at least 3, more preferably at least 4, and even more Preferably at least five.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (a)의 제2차 제한효소 절단 서열과 제3차 제한효소 절단 서열은 동일하거나 또는 서로 다르며, 보다 바람직하게는 서로 다르다.According to a preferred embodiment of the present invention, the second restriction enzyme cleavage sequence and the third restriction enzyme cleavage sequence of step (a) are the same or different, more preferably different.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (b)의 제1중간산물 및 제2중간산물의 증폭은 서로 다른 튜브에서 실시한다.According to a preferred embodiment of the invention, the amplification of the first intermediate product and the second intermediate product of step (b) is carried out in different tubes.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 단계 (b)의 제1중간산물 및 제2중간산물의 크기는 300-500 bp이고, 보다 바람직하게는 400-500 bp이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the size of the first intermediate product and the second intermediate product of step (b) is 300-500 bp, more preferably 400-500 bp.

본 명세서에서 언급되는 용어 상보적(complementary)은 어떤 특정한 혼성화(hybridization) 또는 어닐링 조건 하에서 상술한 뉴클레오티드 서열에 선택적으로 혼성화할 수 있을 정도의 상보성을 갖는 것을 의미하며, 실질적으로 상보적(substantially complementary) 및 완전히 상보적(perfectly complementary)인 것을 모두 포괄하는 의미를 가지며, 바람직하게는 완전히 상보적인 것을 의미한다.The term complementary, as used herein, means having complementarity sufficient to selectively hybridize to the above-described nucleotide sequence under certain specific hybridization or annealing conditions, and substantially complementary. And perfectly complementary, and preferably completely complementary.

본 명세서에 기재된 용어증폭 반응은 타겟 핵산 분자를 증폭하는 반응을 의미한다. 다양한 증폭 반응들이 당업계에 보고 되어 있으며, 이는 중합효소 연쇄반응(PCR)(미국 특허 제4,683,195, 4,683,202, 및 4,800,159호), 역전사-중합효소 연쇄반응(RT-PCR)(Sambrook 등, Molecular Cloning . A Laboratory Manual, 3rd ed. Cold Spring Harbor Press(2001)), Miller, H. I.(WO 89/06700) 및 Davey, C. 등(EP 329,822)의 방법, 멀티플렉스 PCR(McPherson and Moller, 2000), 리가아제 연쇄 반응(ligase chain reaction; LCR)(17, 18), Gap-LCR(WO 90/01069), 복구 연쇄 반응(repair chain reaction; EP 439,182), 전사-중재 증폭(transcription-mediated amplification; TMA)(19) (WO 88/10315), 자가 유지 염기서열 복제(self sustained sequence replication)(20)(WO 90/06995), 타깃 폴리뉴클레오티드 염기서열의 선택적 증폭(selective amplification of target polynucleotide sequences)(미국 특허 제6,410,276호), 컨센서스 서열 프라이밍 중합효소 연쇄 반응(consensus sequence primed polymerase chain reaction; CP-PCR)(미국 특허 제4,437,975호), 임의적 프라이밍 중합효소 연쇄 반응(arbitrarily primed polymerase chain reaction; AP-PCR)(미국 특허 제5,413,909호 및 제5,861,245호), 핵산 염기서열 기반 증폭(nucleic acid sequence based amplification; NASBA)(미국 특허 제5,130,238호, 제5,409,818호, 제5,554,517호, 및 제6,063,603호) 및 가닥 치환 증폭(strand displacement amplification)(21, 22)을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 사용 가능한 다른 증폭 방법들은 미국특허 제5,242,794, 5,494,810, 4,988,617호 및 미국 특허 제09/854,317호에 기술되어 있다.The term amplification reaction described herein means a reaction that amplifies a target nucleic acid molecule. A variety of amplification reactions have been reported in the art, including PCR (PCR) (US Pat. Nos. 4,683,195, 4,683,202, and 4,800,159), reverse-transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) (Sambrook et al., Molecular Cloning . A Laboratory Manual , 3rd ed. The method of Miller, HI (WO 89/06700) and Davey, C. et al (EP 329,822), multiplex PCR (McPherson and Moller, 2000), ligase chain reaction (LCR) 17,18, Gap-LCR WO 90/01069, repair chain reaction EP 439,182, transcription-mediated amplification 19, WO 88 / 10315), self sustained sequence replication (20) (WO 90/06995), selective amplification of target polynucleotide sequences (US Patent No. 6,410,276), consensus sequence (CP-PCR) (US Pat. No. 4,437,975), arbitrarily primed polymerase chain reaction (AP-PCR) (US Pat. No. 5,413,909 and 5,861, 245), nucleic acid sequence based amplification ions; NASBA (US Pat. Nos. 5,130,238, 5,409,818, 5,554,517, and 6,063,603) and strand displacement amplifications 21, 22. Other amplification methods that may be used are described in U.S. Patent Nos. 5,242,794, 5,494,810, 4,988,617 and U.S. Patent No. 09 / 854,317.

본 발명의 가장 바람직한 구현 예에서, 증폭 과정은 미국특허 제4,683,195호, 제4,683,202호 및 제4,800,159호에 개시된 PCR에 따라 실시된다.In the most preferred embodiment of the present invention, the amplification process is carried out according to the PCR disclosed in US Pat. Nos. 4,683,195, 4,683,202 and 4,800,159.

PCR은 가장 잘 알려진 핵산 증폭 방법으로, 그의 많은 변형과 응용들이 개발되어 있다. 예를 들어, PCR의 특이성 또는 민감성을 증진시키기 위해 전통적인 PCR 절차를 변형시켜 터치다운(touchdown) PCR, 핫 스타트(hot start) PCR, 네스티드(nested) PCR 및 부스터(booster) PCR이 개발되었다. 또한, 멀티플렉스 PCR, 실시간(real-time) PCR, 분별 디스플레이 PCR(differential display PCR: DD-PCR), cDNA 말단의 신속 증폭(rapid amplification of cDNA ends: RACE), 인버스 중합효소 연쇄반응(inverse polymerase chain reaction: IPCR), 벡토레트(vectorette) PCR 및 TAIL-PCR(thermal asymmetric interlaced PCR)이 특정한 응용을 위해 개발되었다. PCR에 대한 자세한 내용은 McPherson, M.J., 및 Moller, S.G. PCR. BIOS Scientific Publishers, Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg, N.Y. (2000)에 기재되어 있으며, 그의 교시사항은 본 명세서에 참조로 삽입된다.PCR is the best known nucleic acid amplification method, and many modifications and applications thereof have been developed. For example, touchdown PCR, hot start PCR, nested PCR and booster PCR have been developed by modifying traditional PCR procedures to enhance the specificity or sensitivity of PCR. In addition, multiplex PCR, real-time PCR, differential display PCR (DD-PCR), rapid amplification of cDNA ends (RACE), inverse polymerase chain reaction (inverse polymerase) chain reaction (IPCR), vectorette PCR and thermal asymmetric interlaced PCR (TAIL-PCR) have been developed for specific applications. For more information on PCR, see McPherson, MJ, and Moller, SG PCR . BIOS Scientific Publishers, Springer-Verlag New York Berlin, Heidelberg, NY (2000), the teachings of which are incorporated herein by reference.

본 발명에서 이용될 수 있는 타겟 핵산서열은 특별하게 제한되지 않으며, 바람직하게는 DNA(gDNA 또는 cDNA) 및 RNA를 포함하며, 보다 바람직하게는 DNA를 포함한다. 또한, 타겟 핵산분자는 예컨대, 원핵세포 핵산, 진핵세포(예컨대, 원생동물과 기생동물, 균류, 효모, 고등 식물, 하등 동물 및 포유동물과 인간을 포함하는 고등동물) 핵산, 바이러스(예컨대, 헤르페스 바이러스, HIV, 인플루엔자 바이러스, 엡스타인-바 바이러스, 간염 바이러스, 폴리오바이러스 등) 핵산 또는 비로이드 핵산을 포함한다.The target nucleic acid sequence that can be used in the present invention is not particularly limited, and preferably includes DNA (gDNA or cDNA) and RNA, and more preferably DNA. In addition, target nucleic acid molecules include, for example, prokaryotic nucleic acids, eukaryotic cells (eg, protozoa and parasites, fungi, yeast, higher plants, lower animals, and higher animals, including mammals and humans) nucleic acids, viruses (eg, herpes) Virus, HIV, influenza virus, Epstein-Barr virus, hepatitis virus, poliovirus, etc.) nucleic acid or non-loid nucleic acid.

본 발명에 이용되는 프라이머는 주형의 한 부위에 혼성화 또는 어닐링되어, 이중쇄 구조를 형성한다. 이러한 이중쇄 구조를 형성하는 데 적합한 핵산 혼성화의 조건은 Joseph Sambrook, 등, Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, N.Y.(2001) 및 Haymes, B. D., 등, Nucleic Acid Hybridization , A Practical Approach, IRL Press, Washington, D.C. (1985)에 개시되어 있다.The primer used in the present invention is hybridized or annealed at one site of the template to form a double-stranded structure. Conditions for nucleic acid hybridization suitable for forming such a double-stranded structure are described in Joseph Sambrook, et al., Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY (2001) and Haymes, BD, et al., Nucleic Acid Hybridization , A Practical Approach , IRL Press, Washington, DC (1985).

다양한 DNA 중합효소가 본 발명의 증폭에 이용될 수 있으며, E. coli DNA 중합효소 I의 클레나우 단편, 열안정성 DNA 중합효소 및 박테리오파아지 T7 DNA 중합효소를 포함한다. 바람직하게는, 중합효소는 다양한 박테리아 종으로부터 얻을 수 있는 열안정성 DNA 중합효소이고, 이는 Thermus aquaticus(Taq), Thermus thermophilus(Tth), Thermus filiformis, Thermis flavus, Thermococcus literalis, Pyrococcus furiosus(Pfu), Thermus antranikianii , Thermus caldophilus , Thermus chliarophilus , Thermus flavus , Thermus igniterrae , Thermus lacteus , Thermus oshimai , Thermus ruber , Thermus rubens , Thermus scotoductus, Thermus silvanus , Thermus species Z05 , Thermus species sps 17, Thermus thermophilus , Thermotoga maritima , Thermotoga neapolitana Thermosipho africanus의 DNA 중합효소를 포함한다.Various DNA polymerases can be used for amplification of the present invention and include Klenow fragments of E. coli DNA polymerase I, thermostable DNA polymerase and bacteriophage T7 DNA polymerase. Preferably, the polymerase is a thermostable DNA polymerase obtainable from various bacterial species, which is Thermus aquaticus (Taq), Thermus thermophilus (Tth), Thermus filiformis , Thermis flavus , Thermococcus literalis , Pyrococcus furiosus (Pfu), Thermus antranikianii , Thermus caldophilus , Thermus chliarophilus , Thermus flavus , Thermus igniterrae , Thermus lacteus , Thermus oshimai , Thermus ruber , Thermus rubens , Thermus scotoductus, Thermus silvanus , Thermus species Z05 , Thermus species sps 17, Thermus thermophilus , Thermotoga maritima , Thermotoga neapolitana And DNA polymerase of Thermosipho africanus .

중합 반응을 실시할 때, 반응 용기에 반응에 필요한 성분들을 과량으로 제공하는 것이 바람직하다. 증폭 반응에 필요한 성분들의 과량은, 증폭반응이 성분의 농도에 실질적으로 제한되지 않는 정도의 양을 의미한다. Mg2 +와 같은 조인자, dATP, dCTP, dGTP 및 dTTP를 소망하는 증폭 정도가 달성될 수 있을 정도로 반응 혼합물에 제공하는 것이 소망된다. 증폭 반응에 이용되는 모든 효소들은 동일한 반응 조건에서 활성 상태일 수 있다. 사실, 완충액은 모든 효소들이 최적의 반응 조건에 근접하도록 한다. 따라서, 본 발명의 증폭 과정은 반응물의 첨가와 같은 조건의 변화 없이 단일 반응물에서 실시될 수 있다.When performing the polymerization reaction, it is preferable to provide the reaction vessel with an excessive amount of the components necessary for the reaction. The excess amount of the components required for the amplification reaction means an amount such that the amplification reaction is not substantially restricted to the concentration of the component. It is desirable to provide the reaction mixture with such joins as Mg 2 + , dATP, dCTP, dGTP and dTTP to such an extent that the desired degree of amplification can be achieved. All enzymes used in the amplification reaction may be active under the same reaction conditions. In fact, buffers make all enzymes close to optimal reaction conditions. Thus, the amplification process of the present invention can be carried out in a single reactant without changing conditions such as addition of reactants.

본 발명에 있어서 어닐링은 타겟 뉴클레오타이드 서열과 프라이머 사이에 특이적 결합을 가능하게 하는 엄격조건 하에서 실시된다. 어닐링을 위한 엄격조건은 서열-의존적이며 주위 환경적 변수에 따라 다양하다. 이렇게 증폭된 올리고뉴클레오타이드 풀을 이용하여 1 kb 이상의 타겟 핵산서열을 어셈블리할 수 있다.In the present invention, annealing is carried out under stringent conditions that allow specific binding between the target nucleotide sequence and the primer. The stringent conditions for annealing are sequence-dependent and vary with environmental variables. This amplified oligonucleotide pool can be used to assemble a target nucleic acid sequence of 1 kb or more.

본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 본 발명의 방법에서 실시하는 어셈블리 PCR은 높은 어닐링 온도로 실시하며, 보다 바람직하게는 65℃ 이상에서 실시하고, 가장 바람직하게는 65-72℃에서 실시한다.
According to a preferred embodiment of the invention, the assembly PCR carried out in the method of the invention is carried out at a high annealing temperature, more preferably at 65 ℃ or more, most preferably at 65-72 ℃.

본 발명의 특징 및 이점을 요약하면 다음과 같다:The features and advantages of the present invention are summarized as follows:

(a) 본 발명은 1 kb 이상의 타겟 핵산서열을 보다 경제적이고 효율적으로 합성하는 계층적(hierarchical) 제조방법을 제공한다.(a) The present invention provides a hierarchical production method for more economically and efficiently synthesizing a target nucleic acid sequence of 1 kb or more.

(b) 본 발명의 방법은 다중 층(multiple layers)으로 이루어진 플랭킹 DNA 서열을 포함하는 올리고뉴클레오타이드를 이용한다.(b) The method of the present invention utilizes oligonucleotides comprising flanking DNA sequences consisting of multiple layers.

(c) 본 발명의 방법은 종래의 방법으로는 불가능하였던 1 kb 이상의 타겟 핵산서열 합성을 가능하게 한다.(c) The method of the present invention enables the synthesis of target nucleic acid sequences of 1 kb or more, which were not possible with the conventional methods.

(d) 또한, 본 발명의 방법을 통한 유전자 합성 비용은 레진-기반된 올리고뉴클레오타이드를 이용한 종래 방법에 비해 3배 이상 저렴하다.(d) In addition, the cost of gene synthesis through the method of the present invention is more than three times lower than conventional methods using resin-based oligonucleotides.

(e) 따라서, 본 발명의 방법은 유전자 합성 비용을 현저하게 감소시킬 수 있는 매우 우수한 수단을 제공한다.
(e) Thus, the method of the present invention provides a very good means by which the cost of gene synthesis can be significantly reduced.

도 1은 Dpo4 유전자를 서로 다른 2개의 합성 전략으로 합성하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. (A) 과정은 3개의 단편이 하나의 유전자로 어셈블리 되는 과정을 보여준다. (B) 과정은 타겟 유전자로의 직접적인 어셈블리를 나타낸다.
도 2는 Dpo4 유전자를 구축하는 과정 상의 젤 사진이다. 예상된 산물의 밴드를 빨간색 삼각형으로 표시하고 있다. 도 2a는 플랭킹 프라이머로 PCR-증폭된 Agilent 칩 올리고뉴클레오타이드의 6% TBE 젤 사진이다. 레인 1, 100 bp DNA 래더; 레인 2, 10 bp DNA 래더; 및 레인 3, Agilent 칩 올리고뉴클레오타이드. 도 2b는 증폭된 ds-올리고뉴클레오타이드를 EarI 제한효소로 절단하여 6% TBE 젤에 전기영동한 사진이다. 도 2c는 첫 번째 어셈블리 PCR을 실시해 Dpo4 유전자에 대한 3개의 단편을 형성시킨 결과이다. 레인 1, 100 bp DNA 래더; 레인 2, 363 bp의 첫 번째 단편; 레인 3, 429 bp의 두 번째 단편; 및 레인 4, 330 bp의 세 번째 단편. 도 2d는 도 2c에서 나타낸 3개의 DNA 단편들을 이용하여 어셈블리된 Dpo4 유전자의 아가로오스 젤 사진이다. 도 2e는 Dpo4 유전자의 직접 합성을 위한 올리고뉴클레오타이드들이 플랭킹 프라이머를 이용하여 증폭된 결과이다. 도 2f는 증폭된 ds-올리고뉴클레오타이드들이 EarI 제한효소로 절단된 후, 레인 2에 로딩되어 전기영동시킨 결과이다. 도 2g는 Dop4 유전자의 직접적인(one-pot) 합성을 보여주는 젤 사진이다.
도 3은 Dpo4 유전자의 계층적 합성을 보여주는 젤 이미지 결과이다. 도 3a는 플랭킹 프라이머 쌍으로 증폭된 ds-올리고뉴클레오타이드들의 6% TBE 젤 사진이다. 레인 1, 10 bp DNA 래더; 및 레인 2, PCR 산물. 도 3b는 증폭된 ds-올리고뉴클레오타이드들이 EarI 제한효소로 절단된 후 전기영동시킨 결과이다. 레인 1, 100 bp DNA 래더; 및 레인 2, 절단 산물. 도 3c는 Dpo4 유전자에 대한 600 bp 중간산물 단편들을 아가로오스 젤에 로딩한 결과이다. 레인 1, 100 bp DNA 래더; 및 레인 2, 중간산물. 도 3d는 최종적으로 어셈블리된 PCR 산물을 보여주는 결과로, Dpo4 산물이 두 번째 레인에 로딩되었다.
도 4는 계층적 유전자 합성 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. Agilent 칩 올리고뉴클레오타이드의 초기 PCR 증폭이 2개의 다른 튜브에서 실시되었다. 복제성 어댑터 서열(generic adopter sequences)을 제거한 후, 상기 ds-올리고뉴클레오타이드들이 400-500 bp DNA 단편의 구축에 이용되었다. 두 세트의 복제성 플랭킹 서열들이 이용되어 one-pot에서 다양한 400-600 bp DNA 단편들이 동시에 구축되었다. 중간산물 단편들에서 두 번째 세트의 플랭킹 서열이 절단되었으며, 이후 중간산물 단편들의 풀이 타겟 유전자의 제작에 이용되었다.
도 5는 계층적 Pfu 유전자를 합성하는 과정 상의 젤 사진이다. (a) Agilent 칩 올리고뉴클레오타이드들이 2개의 서로 다른 PCR 튜브에서 2쌍의 프라이머들을 이용하여 증폭되었다. 레인 1, 10 bp DNA 래더; 레인 2, EarI 및 BsgI 제한효소 위치를 가지는 ds-올리고뉴클레오타이드; 및 레인 3, EarI 및 BtsI 제한효소 위치를 가지는 ds-올리고뉴클레오타이드. (b) 상기 2개의 ds-올리고뉴클레오타이드들의 플랭킹 서열이 EarI 제한효소로 절단되었다. (c) 두 번째 세트의 플랭킹 프라이머를 이용하여 어셈블리 PCR이 실시되었다. 레인 1, 100 bp DNA 래더; 레인 2, BsgI 제한효소 위치를 가지는 4개의 단편; 및 레인 3, BtsI 제한효소 위치를 가지는 3개의 단편. (d) 2개의 서로 다른 세트의 단편들을 BsgI 또는 BtsI로 절단시킨 후, 최종 어셈블리 PCR을 실시하였다. 2,325 bp의 긴 Pfu 유전자가 성공적으로 제조되었다. 레인 1, 2-로그 DNA 래더; 및 레인 2, 어셈블리된 PCR 산물.
1 is a schematic diagram illustrating a method of synthesizing the Dpo4 gene by two different synthesis strategies. (A) shows the process of assembling three fragments into one gene. (B) The process represents direct assembly into the target gene.
2 is a gel photograph of the process of building the Dpo4 gene. The band of the expected product is indicated by a red triangle. 2A is a 6% TBE gel photograph of Agilent chip oligonucleotides PCR-amplified with flanking primers. Lane 1, 100 bp DNA ladder; Lane 2, 10 bp DNA ladder; And lane 3, Agilent chip oligonucleotide. Figure 2b is a photo of the amplified ds-oligonucleotide digested with Ear I restriction enzyme and electrophoresed on 6% TBE gel. Figure 2c is the result of the first assembly PCR to form three fragments for the Dpo4 gene. Lane 1, 100 bp DNA ladder; Lane 2, first fragment of 363 bp; Lane 3, second fragment of 429 bp; And lane 3, third fragment of 330 bp. FIG. 2D is an agarose gel photograph of the Dpo4 gene assembled using the three DNA fragments shown in FIG. 2C. 2E shows oligonucleotides for direct synthesis of Dpo4 gene amplified using flanking primers. Figure 2f is the result of amplified ds-oligonucleotides were digested with Ear I restriction enzyme, and then loaded into lane 2 and electrophoresed. 2G is a gel photograph showing the one-pot synthesis of the Dop4 gene.
3 is a gel image result showing the hierarchical synthesis of the Dpo4 gene. 3A is a 6% TBE gel photograph of ds-oligonucleotides amplified with flanking primer pairs. Lane 1, 10 bp DNA ladder; And lane 2, PCR product. Figure 3b is the result of electrophoresis after amplified ds-oligonucleotides were cleaved with Ear I restriction enzyme. Lane 1, 100 bp DNA ladder; And lane 2, cleavage product. Figure 3c is the result of loading the 600 bp intermediate fragments for the Dpo4 gene in the agarose gel. Lane 1, 100 bp DNA ladder; And lane 2, intermediate. 3D shows the final assembled PCR product, with the Dpo4 product loaded in the second lane.
4 is a diagram schematically illustrating a hierarchical gene synthesis method. Initial PCR amplification of Agilent chip oligonucleotides was performed in two different tubes. After removal of the generic adopter sequences, the ds-oligonucleotides were used to construct 400-500 bp DNA fragments. Two sets of replicable flanking sequences were used to construct various 400-600 bp DNA fragments simultaneously in one-pot. A second set of flanking sequences was cut from the intermediate fragments, and then a pool of intermediate fragments was used to construct the target gene.
5 is a gel photograph of the process of synthesizing the hierarchical Pfu gene. (a) Agilent chip oligonucleotides were amplified using two pairs of primers in two different PCR tubes. Lane 1, 10 bp DNA ladder; Ds- oligonucleotides having lane 2, Ear I and Bsg I restriction enzyme positions; And ds-oligonucleotides having lane 3, Ear I and Bts I restriction enzyme positions. (b) The flanking sequences of the two ds-oligonucleotides were cleaved with Ear I restriction enzymes. (c) Assembly PCR was performed using a second set of flanking primers. Lane 1, 100 bp DNA ladder; Lane 2, 4 fragments having Bsg I restriction enzyme positions; And lane 3, 3 fragments having Bts I restriction enzyme positions. (d) Two different sets of fragments were digested with Bsg I or Bts I, followed by final assembly PCR. The long Pfu gene of 2,325 bp was successfully produced. Lane 1, 2-log DNA ladder; And lane 2, assembled PCR product.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention .

실시예Example

실험재료 및 실험방법Materials and Experiments

실험재료Experimental material

특별히 언급되지 않은 한, 모든 재료는 하기 나열된 회사(vendors)로부터 구매하였다. DNA 마이크로어레이 올리고뉴클레오타이드는 Agilent 사(Santa Clara, CA, USA)로부터 구매하였다. 다른 올리고뉴클레오타이드 및 프라이머들은 IDT(Coralville, IA, USA), 바이오니아(한국) 및 마크로젠(한국)으로부터 구매하였다. DNA 정제 키트 및 플라스미드 추출 키트는 Qiagen(Valencia, CA, USA) 및 바이오니아(한국)로부터 구매하였다. 제한 효소 및 리가제는 NEB(New England Biolabs, MA, USA), Fermentas 및 Takara(일본)으로부터 구매하였다. iProofTM DNA polymerase는 Bio-rad(Hercules, CA, USA)로부터 구매하였다. DNA 시퀀싱 분석 프로그램(Lasergene)은 DNAstar(Madison, WI, USA)로부터 구매하였다.
Unless specifically stated, all materials were purchased from the vendors listed below. DNA microarray oligonucleotides were purchased from Agilent (Santa Clara, CA, USA). Other oligonucleotides and primers were purchased from IDT (Coralville, IA, USA), Bioneer (Korea) and Macrogen (Korea). DNA purification kits and plasmid extraction kits were purchased from Qiagen (Valencia, CA, USA) and Bioneer (Korea). Restriction enzymes and ligase were purchased from NEB (New England Biolabs, Mass., USA), Fermentas and Takara (Japan). iProof DNA polymerase was purchased from Bio-rad (Hercules, CA, USA). DNA sequencing analysis program (Lasergene) was purchased from DNAstar (Madison, WI, USA).

타겟 DNA 시퀀싱 및 올리고뉴클레오타이드 디자인Target DNA Sequencing and Oligonucleotide Design

코돈-최적화된 Dpo4(1,056 bp; protein sequence from Sulfolobus solfataricus P2 DNA polymerase IV) 및 Pfu DNA 폴리머라제(GenBank 접근번호, P61875)가 합성 모델로 선택되었다. 양성 가닥 및 음성 가닥 올리고뉴클레오타이드를 디자인하기 위해, 본 발명자들은 연구실 내(in-house) Per1 프로그램을 이용하였다. 복제성(generic) 플랭킹 서열을 포함하는 각 Agilent 칩 올리고의 길이는 150 뉴클레오타이드였다. 상기 올리고뉴클레오타이드는 마이크로어레이 형태로 Agilent 사에서 합성되었다. 올리고뉴클레오타이드 서열은 하기 타겟 서열 정보에서 제공된다.
Codon-optimized Dpo4 (1,056 bp; protein sequence from Sulfolobus solfataricus P2 DNA polymerase IV) and Pfu DNA polymerase (GenBank accession number, P61875) were selected as synthetic models. To design the positive and negative strand oligonucleotides, we used an in-house Per1 program. Each Agilent chip oligo comprising a generic flanking sequence was 150 nucleotides in length. The oligonucleotides were synthesized by Agilent in the form of microarrays. Oligonucleotide sequences are provided in the target sequence information below.

One-pot Dpo4 합성One-pot Dpo4 synthesis

플랭킹 프라이머와 마이크로어레이로부터 절단된 Agilent 칩 올리고뉴클레오타이드를 이용한 PCR 증폭을 통해 150 bp의 이중 가닥 DNA 서열을 제조하였다.A 150 bp double stranded DNA sequence was prepared by PCR amplification using flanking primers and Agilent chip oligonucleotides cleaved from microarrays.

상기 PCR은 제조자의 프로토콜에 따라 iProofTM DNA 폴리머라제(Bio-rad)를 이용하여 50 반응물로 실시하였으며, 그 조건은 다음과 같았다: (a) 전변성 단계, 95℃에서 3분; (b) 95℃에서 30초, 57℃에서 30초 및 72℃에서 1분으로 이루어진 25 사이클의 PCR 단계; 및 (c) 최종 연장 단계, 72℃에서 10분. 이후, 상기 PCR 산물을 4℃에 보관하였다. 본 발명자들은 올리고뉴클레오타이드 농도를 증가시키기 위해 PCR 산물을 재-증폭하였다. 상기 PCR 혼합물은 200 ㎕의 iProofTM DNA 폴리머라제, 160 ㎕의 물, 8 ㎕의 첫 번째 PCR 산물, 10 ㎕의 정방향 프라이머(20 M) 및 10 ㎕의 역방향 프라이머(20 μM)를 포함하였다. PCR 조건은 10 사이클의 PCR 증폭을 제외하고는 상기 첫 번째 PCR 조건과 동일하였다. 본 발명자들은 PCR 정제 키트를 이용하여 상기 산물을 정제하여 45 ㎕의 물로 용출(탈염 및 완충액 교환 과정)하였다. 상기 정제된 ds-올리고뉴클레오타이드들은 37에서 3시간 동안 EarI 제한효소로 절단되었다. 반응 혼합물은 45 ㎕의 키트-정제된 산물, 10 ㎕의 EarI(20 units/㎕; NEB) 제한효소, 0.5 ㎕의 BSA 및 6 ㎕의 10 NEB 완충액 1을 혼합하여 제조하였다. 그 다음으로, 본 발명자들은 6% TBE 젤에 전기영동하여 ds-올리고뉴클레오타이드가 올바르게 절단되었는 지 여부를 확인하였다. 이후, 본 발명자들은 PCR 정제 키트를 이용하여 산물을 정제하였다. 상기 ds-올리고뉴클레오타이드 풀을 템플레이트로 XbaI 및 PstI 제한효소 위치를 가지는 프라이머를 이용한 어셈블리 PCR을 실시하였다. 총 반응 용량은 20 ㎕였으며, 72℃의 어닐링 온도 및 35 사이클의 PCR 증폭 과정을 제외하고는 상술한 PCR 조건과 동일하였다. 본 발명자들은 최종 어셈블리 산물을 아가로오스-젤 정제를 통해 정제하였다. 상기 정제된 산물은 XbaI(20 units/㎕; NEB) 및 PstI(20 units/㎕; NEB) 제한효소를 이용하여 pUC19 벡터에 클로닝하였다. 본 발명자들은 제한효소 절단을 2시간 동안 실시한 후 효소 활성을 정지시키기 위한 DNA 컬럼 정제를 실시하였고 20 의 물로 산물을 용출하였다. 본 발명자들은 혼합물에 2 ㎕의 T4 DNA 라이게이션 완충액 및 2 ㎕의 T4 DNA 리가제(400 units/㎕; NEB)를 첨가하여 16℃에서 하룻밤 동안 반응시킨 후, NEB C2987에서 유래된 컴피턴트 E. coli 세포에 화학적으로 형질전환시켰다. 카르베니실린 항생제를 포함하는 아가 플레이트에서 37℃로 하룻밤 동안 콜로니를 성장시킨 후, 본 발명자들은 콜로니 시퀀싱을 실시하였다. 시퀀싱 데이터는 Lasergene을 이용하여 분석하였다.
The PCR was carried out with 50 reactants using iProof DNA polymerase (Bio-rad) according to the manufacturer's protocol, and the conditions were as follows: (a) a premodification step, 3 min at 95 ° C .; (b) 25 cycles of a PCR step consisting of 30 seconds at 95 ° C., 30 seconds at 57 ° C. and 1 minute at 72 ° C .; And (c) final extension step, 10 minutes at 72 ° C. The PCR product was then stored at 4 ° C. We re-amplified the PCR product to increase oligonucleotide concentration. The PCR mixture contained 200 μl iProof DNA polymerase, 160 μl water, 8 μl first PCR product, 10 μl forward primer (20 M) and 10 μl reverse primer (20 μM). PCR conditions were the same as those of the first PCR except for 10 cycles of PCR amplification. We purified the product using a PCR purification kit and eluted with 45 μl of water (desalting and buffer exchange). The purified ds-oligonucleotides were cleaved with Ear I restriction enzymes for 37 to 3 hours. The reaction mixture was prepared by mixing 45 μl of kit-purified product, 10 μl of Ear I (20 units / μl; NEB) restriction enzyme, 0.5 μl of BSA and 6 μl of 10 NEB buffer 1. Next, we electrophoresed 6% TBE gels to determine whether the ds-oligonucleotides were cleaved correctly. The inventors then purified the product using a PCR purification kit. The ds-oligonucleotide pool was subjected to assembly PCR using a primer having Xba I and Pst I restriction enzyme positions as a template. The total reaction capacity was 20 μl and was identical to the PCR conditions described above except for annealing temperature of 72 ° C. and 35 cycles of PCR amplification. We purified the final assembly product via agarose-gel purification. The purified product was cloned into pUC19 vector using Xba I (20 units / μl; NEB) and Pst I (20 units / μl; NEB) restriction enzymes. After performing restriction enzyme digestion for 2 hours, the inventors performed DNA column purification to stop enzyme activity and eluted the product with 20 water. We added 2 μl of T4 DNA ligation buffer and 2 μl of T4 DNA ligase (400 units / μl; NEB) to the mixture and reacted overnight at 16 ° C., followed by Competent E. Derived from NEB C2987. Coli cells were chemically transformed. After growing colonies overnight at 37 ° C. in agar plates containing carbenicillin antibiotics, we performed colony sequencing. Sequencing data was analyzed using a Lasergene.

세 개의 단편 어셈블리를 통한 Dpo4 합성Dpo4 synthesis through three fragment assemblies

One-pot Dpo4 합성에 이용된 전략과는 다르게, 각 Agilent 칩 올리고뉴클레오타이드는 플랭킹 서열에 EarI 및 BccI 제한효소 위치를 포함하였다. 본 발명자들은 One-pot Dpo4 합성에 이용된 동일한 PCR 조건에 따라 플랭킹 프라이머를 이용하여 올리고뉴클레오타이드의 PCR 증폭을 실시하였다. 올리고뉴클레오타이드 농도를 증가시키기 위해 재-증폭 과정(10 사이클의 PCR)을 실시하였다. 본 발명자들은 PCR 정제 키트를 이용하여 ds-올리고뉴클레오타이드 산물을 정제하였다. 제한효소 절단은 EarI 및 BccI 제한효소를 이용하여 실시하였다. Unlike the strategy used for One-pot Dpo4 synthesis, each Agilent chip oligonucleotide contained Ear I and Bcc I restriction enzyme positions in the flanking sequences. The inventors performed PCR amplification of oligonucleotides using flanking primers according to the same PCR conditions used for One-pot Dpo4 synthesis. Re-amplification procedures (10 cycles of PCR) were performed to increase the oligonucleotide concentration. We purified ds-oligonucleotide products using PCR purification kits. Restriction digestion was performed using Ear I and Bcc I restriction enzymes.

반응 혼합물은 45 ㎕의 PCR 산물, 5 ㎕의 EarI(20 units/㎕; NEB) 제한효소, 5 ㎕의 BccI(20 units/㎕; NEB) 제한효소, 6 ㎕의 10 NEB 완충액 1 및 0.5 ㎕의 BSA(20×)을 혼합하여 제조하였다. 그 다음으로, 본 발명자들은 6% TBE 젤에 전기영동하여 100 bp의 정확하게-절단된(well-cut) ds-올리고뉴클레오타이드를 확인하였다. 절단된(processed) ds-올리고뉴클레오타이드를 얻기 위해 PCR 정제 키트를 이용하였다. 본 발명자들은 각 반응에 대해 363 bp, 429 bp 및 330 bp의 예상 크기를 가지는 서로 다른 PCR 튜브에서 첫 번째 어셈블리 PCR을 실시하였다. 본 발명자들은 각 튜브에서 3 ㎕의 PCR 산물을 6% TBE 젤에 전기영동하여 산물의 크기를 평가하고 밴드를 절단하여 젤을 잘게 부쉈다. 상기 으깨진 젤을 50 ㎕의 TE 완충액에 녹인 후, DNA 추출을 위해 65℃에서 반응시켰다. XbaI 및 PstI 제한효소 위치를 가지는 프라이머를 이용하여 Dpo4 유전자를 어셈블리시키기 위해, 본 발명자들은 상기 3개의 단편의 어셈블리 PCR을 실시하였다. 본 발명자들은 상기 PCR 산물을 아가로오스 젤에 전기영동하여 1 kb 크기 부위를 절단하여 젤 추출 키트를 이용하여 젤 정제를 실시하고 그 산물을 XbaI 및 PstI 제한효소를 이용하여 pUC19 벡터에 클로닝하였다. 본 발명자들은 제한효소 절단을 2시간 동안 실시한 후 DNA 컬럼 정제를 실시하였고 T4 DNA 라이게이션 완충액 및 T4 DNA 리가제를 첨가하였다. 상기 혼합물을 16℃에서 하룻밤 동안 반응시킨 후, 컴피턴트 E. coli 세포에 화학적으로 형질전환시켰다. 아가 플레이트에서 37℃로 하룻밤 동안 콜로니를 성장시킨 후, 본 발명자들은 콜로니를 선택하여 콜로니 시퀀싱을 실시하였다.
The reaction mixture was 45 μl of PCR product, 5 μl of Ear I (20 units / μl; NEB) restriction enzyme, 5 μl of Bcc I (20 units / μl; NEB) restriction enzyme, 6 μl of 10 NEB buffer 1 and 0.5 Prepare by mixing μl of BSA (20 ×). Next, we electrophoresed 6% TBE gels to identify 100 bp of well-cut ds-oligonucleotides. PCR purification kits were used to obtain processed ds-oligonucleotides. We ran the first assembly PCR in different PCR tubes with expected sizes of 363 bp, 429 bp and 330 bp for each reaction. We electrophoresed 3 μl of PCR product in 6% TBE gel in each tube to assess the size of the product and cut the band to break the gel. The crushed gel was dissolved in 50 μl of TE buffer and reacted at 65 ° C. for DNA extraction. To assemble the Dpo4 gene using primers with Xba I and Pst I restriction enzyme positions, we performed assembly PCR of these three fragments. The present inventors electrophoresed the PCR product in an agarose gel to cut a 1 kb size region to perform gel purification using a gel extraction kit and clone the product into a pUC19 vector using Xba I and Pst I restriction enzymes. It was. We performed DNA column purification after restriction enzyme digestion for 2 hours and added T4 DNA ligation buffer and T4 DNA ligase. The mixture was reacted overnight at 16 ° C., and then chemically transformed into competent E. coli cells. After growing colonies overnight at 37 ° C. in agar plates, we selected colonies for colony sequencing.

계층적(Hierarchical ( HierarchicalHierarchical ) ) Dpo4Dpo4 합성 synthesis

PCR 증폭이 첫 번째 세트의 플랭킹 프라이머 서열을 포함하는 Agilent 칩으로부터 절단된 올리고뉴클레오타이드를 템플레이트로 이용하여 실시하여 150 bp의 산물을 생산하였다. PCR 반응 조건은 다음과 같았다: (a) 전변성 단계, 95℃에서 3분; (b) 95℃에서 30초, 53℃에서 30초 및 72℃에서 1분으로 이루어진 26 사이클의 PCR 단계; 및 (c) 최종 연장 단계, 72℃에서 10분. 이후, 상기 PCR 산물을 4℃에 보관하였으며, 올리고뉴클레오타이드 농도를 증가시키기 위해 53℃의 어닐링 온도를 제외하고는 상술한 PCR 조건과 동일하게 PCR 산물을 재-증폭(10 사이클의 PCR 증폭)하였다. 그 다음으로, 본 발명자들은 6% TBE 젤에 전기영동하였으며, 45 ㎕의 PCR 산물, 10 ㎕의 EarI 제한효소, 6 ㎕의 10 NEB 완충액 1 및 0.5 ㎕의 BSA를 혼합하여 37℃에서 반응시킴으로써 제한효소 절단을 실시하였다. 이후, 두 번째 세트의 플랭킹 프라이머를 이용하여 어셈블리 PCR을 실시하였다. 어셈블리 PCR의 조건은 다음과 같았다: (a) 전변성 단계, 95℃에서 3분; (b) 95℃에서 30초, 72℃에서 30초 및 72℃에서 1분으로 이루어진 35 사이클의 PCR 단계; 및 (c) 최종 연장 단계, 72℃에서 10분. 상기 PCR 산물은 4℃에 보관하였다. 이후, 플랭킹 서열을 절단하기 위해 EarI 제한효소를 이용하여 제한효소 절단을 실시하였다(본 발명자들이 첫 번째 및 두 번째 PCR의 프라이머 서열 모두에 EarI을 이용할 수 있었을 지라도, 프라이머 서열에 직교형 세트의 제IIS형 제한효소 위치를 이용하는 것이 합성 효율을 개선시킬 수 있다: 참고, Pfu DNA 폴리머라제를 인코딩하는 유전자의 계층적 합성을 위한 하기의 방법).PCR amplification was carried out using oligonucleotides cleaved from Agilent chips containing the first set of flanking primer sequences as templates to produce 150 bp of product. PCR reaction conditions were as follows: (a) a total denaturation step, 95 min at 95 ° C .; (b) 26 cycles of PCR consisting of 30 seconds at 95 ° C., 30 seconds at 53 ° C. and 1 minute at 72 ° C .; And (c) final extension step, 10 minutes at 72 ° C. The PCR product was then stored at 4 ° C. and the PCR product was re-amplified (10 cycles of PCR amplification) under the same PCR conditions as above except for the annealing temperature of 53 ° C. to increase the oligonucleotide concentration. Next, the inventors were electrophoresed on 6% TBE gel and mixed with 45 μl of PCR product, 10 μl of Ear I restriction enzyme, 6 μl of 10 NEB buffer and 0.5 μl of BSA to react at 37 ° C. Restriction enzyme cleavage was performed. Thereafter, assembly PCR was performed using a second set of flanking primers. The conditions of the assembly PCR were as follows: (a) a total denaturation step, 95 min at 95 ° C .; (b) 35 cycles of a PCR step consisting of 30 seconds at 95 ° C., 30 seconds at 72 ° C. and 1 minute at 72 ° C .; And (c) final extension step, 10 minutes at 72 ° C. The PCR product was stored at 4 ° C. The restriction enzyme cleavage was then performed using EarI restriction enzymes to cleave the flanking sequences (even though we could use Ear I in both primer sequences of the first and second PCRs) The use of the type II restriction enzyme sites of may improve the synthetic efficiency: see, The following method for hierarchical synthesis of genes encoding Pfu DNA polymerase.

어셈블리 PCR은 XbaI 및 PstI 제한효소 위치를 가지는 프라이머, 링킹(linking) 올리고뉴클레오타이드 및 iProofTM DNA 폴리머라제를 이용하여 실시하였다. PCR 반응 혼합물은 10 ㎕의 iProofTM DNA 폴리머라제, 9 ㎕의 물, 1 ㎕의 제한효소 절단된 산물, 0.5 ㎕의 정방향 프라이머, 0.5 ㎕의 역방향 프라이머 및 1 ㎕의 링킹 올리고뉴클레오타이드(0.4 μM)를 포함하였다. PCR은 63℃의 어닐링 온도에서 25 사이클의 PCR 증폭 과정으로 실시하였다.Assembly PCR was performed using primers with Xba I and Pst I restriction enzymes, linking oligonucleotides and iProof DNA polymerase. The PCR reaction mixture contained 10 μl of iProof DNA polymerase, 9 μl of water, 1 μl of restriction enzyme cleaved product, 0.5 μl of forward primer, 0.5 μl of reverse primer and 1 μl of linking oligonucleotide (0.4 μM). Included. PCR was carried out with 25 cycles of PCR amplification at annealing temperature of 63 ° C.

본 발명자들은 PCR 산물을 아가로오스 젤에 전기영동하여 젤 추출 키트를 이용하여 젤 정제를 실시하고 그 산물을 XbaI 및 PstI 제한효소를 이용하여 pUC19 벡터에 클로닝하였다. 클로닝 및 형질전환 단계는 상술한 바와 같이 실시하였다. 이후, 본 발명자들은 콜로니를 선택하여 콜로니 시퀀싱을 실시하였다.
We electrophores the PCR products on agarose gels to perform gel purification using a gel extraction kit and clone the products into pUC19 vectors using Xba I and Pst I restriction enzymes. Cloning and transformation steps were performed as described above. Then, we selected colonies and performed colony sequencing.

계층적 Hierarchical PfuPfu 합성 synthesis

PCR 증폭이 150 bp의 산물을 생산하는 서로 다른 2개의 튜브에서 두 가지 세트의 플랭킹 프라이머로 Agilent 칩으로부터 절단된 올리고뉴클레오타이드를 템플레이트로 이용하여 실시하였다. PCR 반응 조건은 다음과 같았다: (a) 전변성 단계, 95℃에서 3분; (b) 95℃에서 30초, 53℃에서 30초 및 72℃에서 1분으로 이루어진 26 사이클의 PCR 단계; 및 (c) 최종 연장 단계, 72℃에서 10분. 상기 PCR 산물을 4℃에 보관하였다. 이후, 올리고뉴클레오타이드 농도를 증가시키기 위해 53℃의 어닐링 온도를 제외하고는 상술한 PCR 조건과 동일하게 PCR 산물을 재-증폭하였다. 산물을 확인하기 위해 6% TBE 젤에 전기영동하였으며, 90 ㎕의 PCR 산물, 10 ㎕의 EarI 제한효소, 10 ㎕의 10 NEB 완충액 1 및 BSA를 혼합하여 37℃에서 3시간 동안 반응시켜는 제한효소 절단을 실시하여 플랭킹 서열을 제거하였다. DNA 컬럼 정제(40 ㎕의 물로 용출) 후, 두 번째 세트의 플랭킹 프라이머를 이용한 어셈블리 PCR을 실시하여 2개의 서로 다른 반응 혼합물에서 pfu DNA 폴리머라제 유전자의 단편들을 제조하였다. 어셈블리 PCR 조건은 60℃의 어닐링 온도에서 35 사이클의 PCR 증폭 과정을 실시하는 것을 제외하고는 상술한 PCR 조건과 동일하였다. PCR 반응 혼합물은 10 ㎕의 iProofTM DNA 폴리머라제, 4 ㎕의 물, 6 ㎕의 플랭킹 서열-절단된 ds-올리고뉴클레오타이드, 0.5 ㎕의 정방향 프라이머 및 0.5 ㎕의 역방향 프라이머를 포함하였다. PCR은 63℃의 어닐링 온도에서 25 사이클의 PCR 증폭 과정으로 실시하였다. 제한효소 절단은 2 ㎕의 BsgI 제한효소(5 units/㎕; NEB), 14 ㎕의 PCR 산물, 2 ㎕의 NEB 완충액 4 및 1× SAM을 포함하는 한 튜브에서 37℃로 1시간 동안 실시하였다. 또한, 두 번째 튜브에서 제한효소 절단은 2 ㎕의 BtsI 제한효소(10 units/㎕; NEB), 14 ㎕의 PCR 산물, 2 ㎕의 NEB 완충액 1 및 1× BSA를 혼합하여 55℃로 2시간 동안 실시하였다. DNA 컬럼 정제 후, 2개의 반응 혼합물을 각각 6 ㎕씩 혼합하여 이를 템플레이트로 XbaI 및 PstI 제한효소 위치를 가지는 프라이머를 이용하여 최종 어셈블리 PCR을 실시하였다. PCR 반응 혼합물은 10 ㎕의 iProofTM DNA 폴리머라제, 9 ㎕의 물, 12 ㎕의 정제된 pfu 유전자 단편, 0.25 ㎕의 정방향 프라이머 및 0.25 ㎕의 역방향 프라이머를 포함하였다. PCR 반응 조건은 다음과 같았다: (a) 전변성 단계, 95℃에서 3분; (b) 95℃에서 30초, 65℃에서 30초 및 72℃에서 2.5분으로 이루어진 25 사이클의 PCR 단계; 및 (c) 최종 연장 단계, 72℃에서 10분. 상기 PCR 산물을 4℃에 보관하였다. 본 발명자들은 PCR 산물을 아가로오스 젤에 전기영동하여 젤 추출 키트를 이용하여 젤 정제를 실시하고 그 산물을 XbaI 및 PstI 제한효소를 이용하여 pUC19 벡터에 클로닝하였다. 클로닝 및 형질전환 단계는 상술한 바와 같이 실시하였다. 아가 플레이트에서 37℃로 하룻밤 동안 콜로니를 성장시킨 후, 본 발명자들은 콜로니를 선택하여 콜로니 시퀀싱을 실시하였다.
PCR amplification was performed using a template of oligonucleotides cleaved from Agilent chips with two sets of flanking primers in two different tubes producing 150 bp of product. PCR reaction conditions were as follows: (a) a total denaturation step, 95 min at 95 ° C .; (b) 26 cycles of PCR consisting of 30 seconds at 95 ° C., 30 seconds at 53 ° C. and 1 minute at 72 ° C .; And (c) final extension step, 10 minutes at 72 ° C. The PCR product was stored at 4 ° C. The PCR product was then re-amplified in the same manner as the PCR conditions described above except for the annealing temperature of 53 ° C. to increase the oligonucleotide concentration. Electrophoresis was performed on 6% TBE gels to identify the product, and 90 μl of PCR product, 10 μl of Ear I restriction enzyme, 10 μl of 10 NEB buffer 1 and BSA were mixed and reacted at 37 ° C. for 3 hours. Enzyme cleavage was performed to remove flanking sequences. After DNA column purification (eluted with 40 μl of water), fragment PCR of the pfu DNA polymerase gene was made in two different reaction mixtures by assembly PCR using a second set of flanking primers. Assembly PCR conditions were the same as the PCR conditions described above except that a 35 cycle PCR amplification procedure was performed at an annealing temperature of 60 ° C. The PCR reaction mixture contained 10 μl of iProof DNA polymerase, 4 μl of water, 6 μl of flanking sequence-cleaved ds-oligonucleotides, 0.5 μl of forward primer and 0.5 μl of reverse primer. PCR was carried out with 25 cycles of PCR amplification at annealing temperature of 63 ° C. Restriction digestion was performed at 37 ° C. for 1 hour in one tube containing 2 μl of Bsg I restriction enzyme (5 units / μl; NEB), 14 μl of PCR product, 2 μl of NEB buffer 4 and 1 × SAM. . In addition, restriction enzyme cleavage in the second tube was performed for 2 hours at 55 ° C. by mixing 2 μl of Bts I restriction enzyme (10 units / μl; NEB), 14 μl of PCR product, 2 μl of NEB buffer 1 and 1 × BSA. Was carried out. After purification of the DNA column, two reaction mixtures were each mixed with 6 µl, and the final assembly PCR was performed using primers having Xba I and Pst I restriction enzyme positions as templates. The PCR reaction mixture contained 10 μl of iProof DNA polymerase, 9 μl of water, 12 μl of purified pfu gene fragment, 0.25 μl of forward primer and 0.25 μl of reverse primer. PCR reaction conditions were as follows: (a) a total denaturation step, 95 min at 95 ° C .; (b) 25 cycles of PCR consisting of 30 seconds at 95 ° C., 30 seconds at 65 ° C. and 2.5 minutes at 72 ° C .; And (c) final extension step, 10 minutes at 72 ° C. The PCR product was stored at 4 ° C. We electrophores the PCR products on agarose gels to perform gel purification using a gel extraction kit and clone the products into pUC19 vectors using Xba I and Pst I restriction enzymes. Cloning and transformation steps were performed as described above. After growing colonies overnight at 37 ° C. in agar plates, we selected colonies for colony sequencing.

실험결과Experiment result

올리고뉴클레오타이드들은 55K Agilent 마이크로어레이(하나의 칩 당 55,000개의 독립적인 올리고뉴클레오타이드 스팟을 포함)로부터 절단되었다. 상기 어레이에서, 본 발명자들은 독점적인 잉크-젯 프린팅 기술(LeProust et al.)을 이용하여 10,000개의 독립적인(unique) 올리고뉴클레오타이드(150 bp)를 fmol의 양으로 제조하였다. 55K 칩으로부터 한 커플의 수백개의 스팟들만이 본 발명자들의 실험에 이용되었다: 상기 스팟들은 계층적 Dpo4 합성을 위해 22개의 독립적인 올리고뉴클레오타이드들을 세 쌍으로(triplicate) 이용하고, one-pot Dpo4 합성을 위해 24개의 독립적인 올리고뉴클레오타이드들을 세 쌍으로 이용하며, pfu DNA 폴리머라제 유전자의 제조를 위해 70개의 올리고뉴클레오타이드를 세 쌍으로 이용하였다.Oligonucleotides were cleaved from a 55K Agilent microarray (containing 55,000 independent oligonucleotide spots per chip). In this array, we produced 10,000 independent oligonucleotides (150 bp) in an amount of fmol using a proprietary ink-jet printing technique (LeProust et al.). Only a couple of hundreds of spots from the 55K chip were used in our experiments: the spots used 22 independent oligonucleotides in three pairs for hierarchical Dpo4 synthesis and one-pot Dpo4 synthesis. Twenty four independent oligonucleotides were used in three pairs, and 70 oligonucleotides were used in three pairs for the preparation of the pfu DNA polymerase gene.

본 발명자들의 이전 연구(Bang and Church, 2008)에 기반하여, 본 발명자들은 1 kb 유전자 합성을 위한 각 올리고뉴클레오타이드의 최소 농도를 0.2 μM로부터 0.025 μM의 범위에서 평가하였다. 전형적인 PCR이 20 ㎕의 반응으로 실시되는 것을 고려할 때, 본 발명자들은 1 kb 유전자 합성을 위해 올리고뉴클레오타이드 당 최소 1 pmol(0.05 M*20 = 1 pmol로 계산)이 필요하였다. 하지만, Agilent 칩으로부터 제공된 총 올리고뉴클레오타이드 양은 10 pmol(각 올리고 당 0.2 fmol)이었다. 이에, 본 발명자들은 올리고뉴클레오타이드 풀을 100 ㎕로 희석하였다. 그 결과, 각 올리고뉴클레오타이드의 농도는 2 pM이었다. 즉, 하나의 DNA 합성 반응을 위해 전체 Agilent 칩 올리고뉴클레오타이드를 이용하는 경우에도 각 칩 올리고뉴클레오타이드의 양(0.2 fmol)은 하나의 유전자 합성을 위한 최적의 올리고 양(1 pmol)보다 수 천배 적은 것으로 평가된다. 칩 올리고뉴클레오타이드의 농도가 DNA 어셈블리를 실시하기에 너무 적기 때문에, Dpo4 및 pfu DNA 폴리머라제 유전자 어셈블리에 이용하기 전에 본 발명자들은 55K 칩의 올리고뉴클레오타이드 서브-풀을 선택적으로 증폭시키기 위해 복제성 플랭킹 서열을 이용하였다(Tian et al ., 2004).Based on our previous work (Bang and Church, 2008), we evaluated the minimum concentration of each oligonucleotide for 1 kb gene synthesis in the range of 0.2 μM to 0.025 μM. Given that typical PCR was performed with 20 μl of reaction, we needed a minimum of 1 pmol (calculated as 0.05 M * 20 = 1 pmol) per oligonucleotide for 1 kb gene synthesis. However, the total oligonucleotide amount provided from the Agilent chip was 10 pmol (0.2 fmol per oligo). Thus, we diluted the oligonucleotide pool to 100 μl. As a result, the concentration of each oligonucleotide was 2 pM. That is, even when the entire Agilent chip oligonucleotide is used for one DNA synthesis reaction, the amount of each chip oligonucleotide (0.2 fmol) is estimated to be several thousand times less than the optimal amount of oligonucleotide (1 pmol) for one gene synthesis. . Since the concentration of chip oligonucleotides is too low to perform DNA assembly, prior to use in the Dpo4 and pfu DNA polymerase gene assemblies, we have identified replicable flanking sequences to selectively amplify oligonucleotide sub-pools of 55K chips. Was used (Tian et al . , 2004).

복제성 서열-절단된 올리고뉴클레오타이드의 충분한 양을 얻는 것이 유전자들의 성공적인 어셈블리에 가장 중요한 요소이다. 플랭킹 서열-절단된 올리고뉴클레오타이드의 농도를 증가시키기 위해, 본 발명자들은 단일-가닥 올리고뉴클레오타이드(ss-oligonucleotides) 대신에 이중-가닥 올리고뉴클레오타이드(ds-oligonucleotides)를 이용하여 유전자들을 어셈블리하였다. 본 발명의 방법은 ds-올리고뉴클레오타이드로부터 ss-올리고뉴클레오타이드로 추가적으로 프로세싱해야 하는 필요성을 미연에 방지하고, 이러한 ss-올리고뉴클레오타이드 생산 단계의 제거는 올리고뉴클레오타이드의 총 농도를 증가시킨다. 또한, 본 발명자들은 추가적인 PAGE 또는 아가로오스 젤 정제 과정 없이 제IIS형 제한효소 절단 후 ds-올리고뉴클레오타이드를 직접적으로 이용할 수 있는 프로토콜을 최적화하였다. 젤 정제 단계를 제거함으로써, 본 발명자들은 실질적으로 많은 양의 올리고뉴클레오타이드를 얻을 수 있었다.Obtaining sufficient amounts of replicable sequence-cleaved oligonucleotides is the most important factor for successful assembly of genes. To increase the concentration of flanking sequence-cleaved oligonucleotides, we assembled genes using double-stranded oligonucleotides (ds-oligonucleotides) instead of single-stranded oligonucleotides. The method of the present invention obviates the need for further processing from ds-oligonucleotides to ss-oligonucleotides, and elimination of this ss-oligonucleotide production step increases the total concentration of oligonucleotides. In addition, we have optimized a protocol that can directly use ds-oligonucleotides after type IIS restriction enzyme digestion without additional PAGE or agarose gel purification. By eliminating the gel purification step, we were able to obtain substantially large amounts of oligonucleotides.

컬럼-합성된 올리고뉴클레오타이드를 이용한 단일-스텝(one-step) 폴리머라제 사이클링 어셈블리(PCA)로 1 kb 서열을 어셈블리하는 전형적인 유전자 합성 방법들과는 다르게, DNA 칩 올리고뉴클레오타이드를 이용한 1 kb 유전자를 제조하기 위한 본 발명자들의 초기 시도들은 어셈블리 과정들이 불충분하다는 것을 확인시켜 주었다(결과를 보이지 않음). 500 bp 이상의 DNA 서열로의 어셈블리에 있어서 난점들(Challenges)은 어셈블리 전에 ds-올리고뉴클레오타이드의 플랭킹 부위의 불충분한 제거와 관련이 있다. 또한, 칩-절단된 올리고뉴클레오타이드의 증폭으로부터 유래된 ds-올리고뉴클레오타이드의 균일하지 않은 농도는 효율적이지 않은 유전자 합성에 기여할 수 있다. 따라서, 1 kb 이상의 유전자들의 어셈블리를 위해 본 발명자들은 약 350 bp의 3개의 단편들을 이용하여 1 kb Dpo4 유전자를 어셈블리하는 데 우선적으로 집중하였다. 본 발명자들은 3개의 서로 다른 반응 혼합물에서 3개의 Dpo4 단편들을 어셈블리하기 위해 플랭킹 서열-절단된 올리고뉴클레오타이드를 이용하였다(도 1A 및 도 2a-2c). 상기 타겟 단편들은 중첩하는 부위(overlapping regions)를 포함하도록 디자인되었다. 따라서, 본 발명자들은 한 쌍의 어셈블리 프라이머를 이용하여 두 번째 라운드의 어셈블리 과정 중에 상기 3개의 단편들이 합쳐져서 소망하는 Dpo4 유전자를 형성시켰다(도 1A 및 도 2d).Unlike typical gene synthesis methods of assembling 1 kb sequences into a one-step polymerase cycling assembly (PCA) using column-synthesized oligonucleotides, for preparing 1 kb genes using DNA chip oligonucleotides Initial attempts by the inventors confirmed that the assembly processes were insufficient (results not shown). Challenges in assembly with DNA sequences of 500 bp or more are associated with insufficient removal of the flanking regions of ds-oligonucleotides prior to assembly. In addition, non-uniform concentrations of ds-oligonucleotides derived from amplification of chip-cleaved oligonucleotides may contribute to inefficient gene synthesis. Thus, for the assembly of genes of 1 kb or more, we focused primarily on assembling the 1 kb Dpo4 gene using three fragments of about 350 bp. We used flanking sequence-cleaved oligonucleotides to assemble three Dpo4 fragments in three different reaction mixtures (FIGS. 1A and 2A-2C). The target fragments were designed to include overlapping regions. Thus, we used a pair of assembly primers to combine the three fragments during the second round of assembly to form the desired Dpo4 gene (FIGS. 1A and 2D).

Dpo4 단편들의 어셈블리를 위해 반복된 실험에서, 본 발명자들은 DNA 어셈블리 동안 높은 어닐링 온도(65-72)가 합성 효율을 증가시킨다는 것을 발견하였다(도 3). 이에, 본 발명자들은 높은 어닐링 온도가 어셈블리 과정에서 불충분하게 절단된 올리고뉴클레오타이드를 제외시킴으로써 어셈블리 효율의 증가에 기여할 수 있을 것이라는 가설을 세웠다. 따라서, 본 발명자들은 다양한 어셈블리 온도에서 어셈블리 실험을 실시하여 1 kb 이상의 DNA 분자를 제조할 수 있는 가능성을 조사하였다(결과를 보이지 않음). 예상한 바와 같이, 본 발명자들은 증가된 어닐링 온도에서 Dpo4 유전자를 어셈블리할 수 있었다(도 1B 및 도 2e-2g). 이후, 본 발명자들은 합성된 컨스트럭트를 클로닝하여 시퀀싱하였다(표 1, one-pot 합성된 Dpo4의 시퀀싱 데이터).In repeated experiments for the assembly of Dpo4 fragments, the inventors found that high annealing temperatures 65-72 during the DNA assembly increased synthesis efficiency (FIG. 3). The present inventors hypothesized that high annealing temperatures could contribute to an increase in assembly efficiency by excluding insufficiently cleaved oligonucleotides in the assembly process. Therefore, the inventors conducted assembly experiments at various assembly temperatures to investigate the possibility of producing DNA molecules of 1 kb or more (results not shown). As expected, we were able to assemble the Dpo4 gene at increased annealing temperatures (Figures 1B and 2E-2G). The inventors then cloned and sequenced the synthesized constructs (Table 1, sequencing data of one-pot synthesized Dpo4).

타겟 유전자들의 합성 동안 발생된 서열 오류의 비교.Comparison of sequence errors generated during the synthesis of target genes. 유전자 이름Gene name
(유전자 길이)(Gene length)
방법Way
오류error aa
시퀀싱된Sequenced
gun bpbp
오류율Error rate
(오류/1 (Error / 1 kbkb ))
Dpo4 DNA 폴리머라제
(1,056 bp)
Dpo4 DNA 폴리머라제
(1,056 bp)
Pfu DNA 폴리머라제
(2,325 bp)
Dpo4 DNA Polymerase
(1,056 bp)
Dpo4 DNA Polymerase
(1,056 bp)
Pfu DNA Polymerase
(2,325 bp)
One-pot 합성

계층적 합성

계층적 합성
One-pot synthesis

Hierarchical synthesis

Hierarchical synthesis
15(11:1:1:2)

13(8:4:1:0)

22(15:2:4:1)
15 (11: 1: 1: 2)

13 (8: 4: 1: 0)

22 (15: 2: 4: 1)
8,448

2,112

4,650
8,448

2,112

4,650
약 1.8

약 6.2

약 4.7
Approximately 1.8

6.2

About 4.7

a오류 [결실:삽입:변화(transition):교차(transversion)]
a error [deletion: insert: transition: transversion]

비록 본 발명자들이 DNA 칩-유래된 올리고뉴클레오타이드를 이용한 one-pot방법으로 Dpo4 유전자를 성공적으로 합성하였을 지라도, 본 발명자들은 합성 효율이 여전히 낮다는 것을 확인하였다(참고: 도 2g에 보여진 젤 데이터). 또한, 합성 Dpo4 유전자의 증가된 길이가 Agilent 칩에 의해 제공된 올리고뉴클레오타이드의 증가된 길이일 뿐 이라는 논란의 여지가 있을 수 있다. 따라서, 본 발명자들은 거대 DNA 분자의 제조에 적용될 수 있는 확장 가능하고(scalable) 계층적인 합성 방법을 개발하고자 노력하였다. 본 발명자들의 합성 계획은 도 4에 개략적으로 제시되어 있다. 본 발명의 합성 방법의 독창성은 거대 DNA 컨스트럭트의 어셈블리를 위해 플랭킹 DNA 서열의 다중 층(multiple layers)을 디자인하여 도입한 것이다. 첫 번째 층의 프라이머 서열은 마이크로칩-절단된 ss-올리고뉴클레오타이드를 증폭시켜 ds-올리고뉴클레오타이드를 생산한다. 상기 ds-올리고뉴클레오타이드는 타겟 유전자 합성을 위한 중간산물(intermediates)로 기능할 수 있는 400-500 bp DNA 단편의 제조를 위해 이용되었다. 합성 디자인에 따르면, 본 발명자들은 중간산물인 400-500 bp 단편 서열들에 두 번째 층의 복제성 서열을 추가적으로 도입하였다. 상기 두 번째 층의 프라이머들은 one-pot 방법에서 다중 400-500 bp DNA 단편들을 동시에 제작할 수 있게 하였다. 상기 복제성 플랭킹 서열들은 두 번째 라운드의 어셈블리 과정 전에 절단되는 제IIS형 제한효소 위치를 포함한다. 결국, 본 발명자들은 타겟 유전자들을 제조하기 위해 중간산물 단편들을 이용할 수 있다.Although we have successfully synthesized the Dpo4 gene by the one-pot method using DNA chip-derived oligonucleotides, we have found that the synthesis efficiency is still low (see gel data shown in Figure 2g). It may also be argued that the increased length of the synthetic Dpo4 gene is only the increased length of the oligonucleotides provided by the Agilent chip. Accordingly, the inventors have sought to develop a scalable and hierarchical synthesis method that can be applied to the preparation of large DNA molecules. Our synthesis scheme is outlined in FIG. 4. The uniqueness of the synthetic method of the present invention is the design and introduction of multiple layers of flanking DNA sequences for the assembly of large DNA constructs. The primer sequence of the first layer amplifies the microchip-cut ss-oligonucleotides to produce ds-oligonucleotides. The ds-oligonucleotides were used for the preparation of 400-500 bp DNA fragments that could function as intermediates for target gene synthesis. According to the synthetic design, we additionally introduced the second layer of the replicative sequence into the intermediate 400-500 bp fragment sequences. The primers of the second layer allowed simultaneous production of multiple 400-500 bp DNA fragments in a one-pot method. The replicable flanking sequences contain type II restriction enzyme sites that are cleaved before the second round of assembly. As a result, we can use intermediate fragments to prepare target genes.

성공적인 계층적 합성을 위해, 본 발명자들은 one-pot 방법으로 다중 합성 타겟 DNA 분자의 어셈블리를 달성해야 했다. 동일한 반응 혼합물에서 단일 일반적인 프라이머 쌍(universal primer pairs)을 이용하여 다중 DNA 단편들(약 500 bp)을 제작할 수 있는 지 여부를 테스트하기 위해, 본 발명자들은 Dpo4 유전자를 중첩하는 부위가 없는 2개의 단편(각각 528 bp)으로 간단히 나누었다. 일반적인 프라이머 쌍을 이용하여, 본 발명자들은 양 단편들을 동일한 반응 혼합물에서 제조하였다(도 3). DNA 시퀀싱을 통한 합성 단편의 확인을 통해, 본 발명자들의 방법이 신뢰할만 하다는 것을 확인하였다(결과를 보이지 않음). 더 나아가, 본 발명자들은 단순히 링킹 올리고뉴클레오타이드(linking oligonucleotide)를 이용함으로써 2개의 단편을 결합시킬 수 있었고, 이를 기반으로 시퀀싱을 실시하였다(도 3 및 표 1의 계층적으로 합성된 Dpo4의 시퀀싱 데이터).For successful hierarchical synthesis, we had to achieve assembly of multiple synthetic target DNA molecules in a one-pot method. To test whether multiple DNA fragments (approximately 500 bp) can be produced using single universal primer pairs in the same reaction mixture, we have two fragments without regions overlapping the Dpo4 gene. (528 bp each). Using common primer pairs, we prepared both fragments in the same reaction mixture (FIG. 3). Identification of the synthetic fragments via DNA sequencing confirmed that our method was reliable (results not shown). Furthermore, the inventors were able to link the two fragments simply by using a linking oligonucleotide and performed sequencing based on this (sequencing data of Dpo4 synthesized hierarchically in FIG. 3 and Table 1). .

본 발명의 계층적 방법의 유용성 및 일반성(generality)을 테스트하기 위해, 본 발명자들은 모델 타겟으로서 Pfu DNA 폴리머라제(약 2,325 bp)를 인코딩하는 보다 긴 유전자를 구축할 수 있도록 고안하였다. 본 발명자들은 7개의 서로 다른 400 bp의 단편들의 어셈블리를 위해 올리고뉴클레오타이드 서열을 디자인하였다. 본 발명자들은 중첩하는 400 bp의 단편들의 어셈블리가 단편 어셈블리 과정 동안 방해를 야기할 수 있을 것으로 예상하였다(도 4). 따라서, 본 발명자들은 400 bp의 각 타겟 단편들에 대한 서로 다른 복제성 프라이머 서열을 도입시킴으로써 어셈블리 과정 동안 서로 간에 중첩되지 않는 올리고뉴클레오타이드를 디자인하였다. 본 발명자들은 BsgI 제한효소 위치를 포함하는 한 쌍의 복제성 플랭킹 DNA 서열을 이용하여 4개의 400 bp 단편들을 어셈블리시켰으며, 다른 3개의 400 bp 단편들은 BtsI 제한효소 위치를 포함하는 또 다른 쌍의 복제성 플랭킹 DNA 서열을 이용하여 어셈블리되었다(도 5). 두 개의 분리된 반응 혼합물에서 7개의 타겟 DNA 단편들을 어셈블리시킨 후, 본 발명자들은 상기 반응 혼합물에 각각 BsgI 및 BtsI 제한효소를 이용하여 복제성 플랭킹 서열들을 절단시켰다. 최종적으로, 본 발명자들은 상기 DNA 단편들을 완전한 2,325 bp의 Pfu 유전자로 어셈블리시켰다(도 5). 본 발명자들의 어셈블리 방법을 규명하기 위해, 본 발명자들은 최종 산물을 클로닝하여 시퀀싱하였다. 본 발명의 방법에 따른 Pfu 유전자의 합성으로부터 얻어진 시퀀싱은 컬럼-합성된 올리고뉴클레오타이드를 이용한 Pfu 유전자의 합성과 비교하여 200 bp 당 약 1 bp의 오류율을 나타냈다(참고: 표 1의 계층적으로 합성된 Pfu DNA 폴리머라제의 시퀀싱 데이터).In order to test the utility and generality of the hierarchical methods of the present invention, we designed to build longer genes encoding Pfu DNA polymerase (about 2,325 bp) as a model target. We designed oligonucleotide sequences for the assembly of seven different 400 bp fragments. We anticipated that assembly of overlapping 400 bp fragments could cause interference during the fragment assembly process (FIG. 4). Thus, we designed oligonucleotides that do not overlap one another during the assembly process by introducing different replicative primer sequences for each target fragment of 400 bp. We assembled four 400 bp fragments using a pair of replicable flanking DNA sequences containing Bsg I restriction enzyme sites, and the other three 400 bp fragments contained another Bts I restriction enzyme site. Assembled using pairs of replicable flanking DNA sequences (FIG. 5). After assembling seven target DNA fragments in two separate reaction mixtures, we cleaved the replicable flanking sequences using Bsg I and Bts I restriction enzymes in the reaction mixture, respectively. Finally, we assembled the DNA fragments into a complete 2,325 bp Pfu gene (FIG. 5). To identify our assembly method, we cloned and sequenced the final product. Sequencing obtained from the synthesis of the Pfu gene according to the method of the present invention showed an error rate of about 1 bp per 200 bp compared to the synthesis of the Pfu gene using column-synthesized oligonucleotides (see: Hierarchically synthesized in Table 1). Sequencing data of Pfu DNA polymerase).

본 보고에서, 본 발명자들은 신규한 마이크로칩 DNA-기반된 유전자 합성 방법을 제시하였다. 두 개의 층으로 이루어진 복제성 플랭킹 DNA 서열을 적용시킴으로써, 본 발명자들은 프로그램될 수 있는 DNA 마이크로칩으로부터 유래된 올리고뉴클레오타이드들을 이용하여 1 kb 이상의 유전자들의 계층적 어셈블리 방법을 달성하였다. 본 발명의 계층적 전략은 거대 DNA 분자의 합성을 위해 다중 층의 프라이머 서열로 확장될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명자들은 최적화된 합성 조건에 부합하는 본 발명자들의 계층적 전략은 추가적으로 많은 합성 유전자 서열의 확장 가능하게 구축하도록 적용될 수 있을 것으로 예상한다. 또한, 본 발명자들의 최적화된 어셈블리 과정을 이용하여 본 발명자들이 1 kb 이상의 유전자의 one-pot 합성을 달성하였다는 것이 주목할 만한 것이다. 상술한 바와 같이, 칩 올리고뉴클레오타이드의 매우 작은 양과 관련된 DNA 어셈블리의 어려움으로 인해 1 kb 이상의 DNA 분자의 구축이 크게 어려웠다.In this report, we presented a novel microchip DNA-based gene synthesis method. By applying a two-layer replicable flanking DNA sequence, we achieved a hierarchical assembly method of genes greater than 1 kb using oligonucleotides derived from programmable DNA microchips. The hierarchical strategy of the present invention may be extended to multiple layers of primer sequences for the synthesis of large DNA molecules. Thus, the inventors anticipate that our hierarchical strategy that meets optimized synthetic conditions may be applied to further expand the construction of many synthetic gene sequences. It is also noteworthy that we have achieved one-pot synthesis of genes greater than 1 kb using our optimized assembly process. As mentioned above, the construction of DNA molecules larger than 1 kb was greatly difficult due to the difficulty of DNA assembly associated with very small amounts of chip oligonucleotides.

Agilent 칩-올리고뉴클레오타이드를 이용한 유전자 합성에서의 오류율(error rate) 및 비용평가(cost estimate)는 다음과 같다. 하나의 유전자 합성 비용 분석에 있어서, 본 발명자들은 유전자 합성에 소요되는 2개의 주된 비용은 올리고뉴클레오타이드 비용 및 시퀀싱 비용이다. Agilent 55K 칩의 150 bp 올리고뉴클레오타이드에서, 2개의 25 bp 플랭킹 서열이 존재하고 100 bp의 내부 서열(internal sequences)이 타겟 유전자 합성에 이용된다. 각 100 bp의 올리고뉴클레오타이드는 다른 100 bp의 올리고뉴클레오타이드와 완벽하게 중첩되기 때문에, 하나의 올리고뉴클레오타이드는 유전자 어셈블리 과정 동안 50 bp 확장(extension)에 이용된다. 따라서, 본 발명자들은 하나의 55K 칩을 이용하여 2.75 백만 bp(50 bp55,000 올리고뉴클레오타이드)를 합성할 수 있을 것이다. Agilent 칩의 가격이 약 $7,000이기 때문에, 본 발명자들은 올리고뉴클레오타이드의 합성 비용을 1 bp 당 약 $0.0025일 것으로 추정한다. 현재 레진-기반된 올리고뉴클레오타이드 합성 비용이 1 bp 당 약 $0.10이기 때문에, Agilent 칩 올리고뉴클레오타이드의 비용이 레진-기반된 올리고뉴클레오타이드 합성 비용보다 40배 이상 저렴하다.Error rates and cost estimates for gene synthesis using Agilent chip-oligonucleotides are as follows. In one gene synthesis cost analysis, we found that the two major costs for gene synthesis are the oligonucleotide cost and the sequencing cost. In the 150 bp oligonucleotide of the Agilent 55K chip, two 25 bp flanking sequences are present and 100 bp internal sequences are used for target gene synthesis. Since each 100 bp oligonucleotide perfectly overlaps with another 100 bp oligonucleotide, one oligonucleotide is used for 50 bp extension during the gene assembly process. Thus, we will be able to synthesize 2.75 million bp (50 bp55,000 oligonucleotide) using one 55K chip. Since the price of the Agilent chip is about $ 7,000, we estimate the cost of synthesizing the oligonucleotide to be about $ 0.0025 per bp. Since the current resin-based oligonucleotide synthesis cost is about $ 0.10 per bp, the cost of Agilent chip oligonucleotides is more than 40 times cheaper than the resin-based oligonucleotide synthesis cost.

시퀀싱 비용은 올리고뉴클레오타이드의 질(original quality)에 의해 주로 결정된다. Agilent 칩 올리고뉴클레오타이드의 질을 평가하기 위해, 본 발명자들은 칩 올리고뉴클레오타이드를 증폭하여 클로닝한 후 DNA 시퀀싱을 실시하였다. 여섯 개의 오류(5개의 결실 및 하나의 삽입)가 1,500 bp의 시퀀싱에서 관찰되었다(즉, 250 bp 당 1 bp의 오류율). 1,056 bp의 Dpo4 유전자의 제조를 위해 0.4%의 오류율의 올리고뉴클레오타이드를 이용하는 것은 완벽한 타겟 DNA를 포함하는 소망하는 클론을 1.5%만을 생산할 것이다(0.9961056으로부터 산술적으로 계산됨). DNA 어셈블리 과정 동안, 높은 어닐링 온도는 DNA 단편의 확장을 위해 보다 더 순도 높은 올리고뉴클레오타이드를 양성적으로 선택하게 한다. 그 결과, 본 발명자들의 one-pot Dpo4 합성 방법은 500 bp 당 약 1 bp의 오류율을 초래하였다. 일반적으로, 500 bp 당 약 1 bp의 오류율에서 약 10%의 클론들이 평균적으로 오류가 없을 것으로 본 발명자들은 예측하였는데, 본 발명의 Dpo4 유전자 합성에 있어서 단일-스텝 Dpo4 유전자 합성으로 얻어진 약 37%의 클론들(8개 중 3개)에서 오류가 존재하지 않았다. 따라서, DNA 마이크로칩 올리고뉴클레오타이드를 이용한 Dop4 유전자 합성은 필요한 총 올리고뉴클레오타이드 당 약 $2.5이 소요될 것이고(계산: 1,056 bp$0.0025/bp), 필요한 총 시퀀싱 비용은 약 $100이 소요될 것이다(계산: 10 클론2개의 시퀀싱/클론$5/시퀀싱). 레진-기반된 합성 올리고뉴클레오타이드 비용이 약 $200(계산: 21,056 bp$0.1/bp; 2는 정방향 가닥 및 역방향 가닥을 의미)인 것을 고려할 때, 칩-기반된 DNA 합성은 유전자 합성 비용을 약 $300에서 약 $100까지 감소시킨다.Sequencing costs are largely determined by the original quality of the oligonucleotides. To assess the quality of Agilent chip oligonucleotides, we amplified and cloned the chip oligonucleotides followed by DNA sequencing. Six errors (5 deletions and one insertion) were observed at 1,500 bp sequencing (ie 1 bp error rate per 250 bp). Using 0.4% error rate oligonucleotides for the production of 1,056 bp of Dpo4 gene would only produce 1.5% of the desired clones containing the complete target DNA (calculated arithmetically from 0.996 1056 ). During the DNA assembly process, high annealing temperatures allow for the positive selection of higher purity oligonucleotides for expansion of the DNA fragments. As a result, our one-pot Dpo4 synthesis method resulted in an error rate of about 1 bp per 500 bp. In general, we predicted that about 10% of the clones would be error free on average at an error rate of about 1 bp per 500 bp, with about 37% of the single-step Dpo4 gene synthesis obtained in the Dpo4 gene synthesis of the present invention. There were no errors in the clones (3 of 8). Thus, Dop4 gene synthesis using DNA microchip oligonucleotides would cost about $ 2.5 per total oligonucleotide required (calculated: 1,056 bp $ 0.0025 / bp) and total cost of sequencing required would cost about $ 100 (calculated: 10 clones) Sequencing / clone $ 5 / sequencing). Given that the resin-based synthetic oligonucleotide costs about $ 200 (calculated: 21,056 bp $ 0.1 / bp; 2 means forward and reverse strands), chip-based DNA synthesis reduces gene synthesis costs from about $ 300 to about Reduces to $ 100

Pfu DNA 폴리머라제 유전자 합성의 오류율은 one-pot Dpo4 합성보다 2.5배 정도 더 높았다. 이는 계층적 DNA 합성에 필요한 추가적인 스텝으로부터 발생할 것이다. 따라서, 본 발명자들은 현재 유용한 오류 정정 방법들(Carr and Church, 2009)이 DNA 합성의 오류율을 추가적으로 감소시킬 수 있는 본 발명자들의 DNA 합성 방법과 조합되어야만 한다고 제안한다.
The error rate of Pfu DNA polymerase gene synthesis was about 2.5 times higher than that of one-pot Dpo4 synthesis. This will result from the additional steps required for hierarchical DNA synthesis. Therefore, we propose that current useful error correction methods (Carr and Church, 2009) should be combined with our DNA synthesis method which can further reduce the error rate of DNA synthesis.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현 예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명 의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

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Claims (9)

다음의 단계를 포함하는 타겟 핵산서열의 계층적(Hierarchical) 제조방법:
(a) 5' to 3' 방향으로 5'-말단 제1공통적 프라이밍 서열(generic priming sequence), 제1차 5'-제한효소 절단 서열, 중첩하는(overlapping) 타겟 일부 서열, 제1차 3'-제한효소 절단 서열 및 3'-말단 제1공통적 프라이밍 서열을 포함하는 올리고뉴클레오타이드 풀을 준비하는 단계;
상기 올리고뉴클레오타이드 풀에 있는 상기 중첩하는 타겟 일부 서열들은 서로 중첩하는 경우 타겟 핵산서열 전체를 포함하며, 상기 올리고뉴클레오타이드의 제1차 5'-제한효소 절단 서열과 제1차 3'-제한효소 절단 서열은 서로 동일하며;
상기 올리고뉴클레오타이드 풀 중에서 제1중간산물의 5'-말단 부위를 생성시키기 위한 제1올리고뉴클레오타이드는 5'-제한효소 절단 서열의 다운스트림에 5' to 3' 방향으로 5'-제2공통적 프라이밍 서열과 제2차 5'-제한효소 절단 서열을 추가적으로 포함하고, 제1중간산물의 3'-말단 부위를 생성시키기 위한 제2올리고뉴클레오타이드는 3'-제한효소 절단 서열의 업스트림에 3' to 5' 방향으로 3'-제2공통적 프라이밍 서열과 제2차 3'-제한효소 절단 서열을 추가적으로 포함하며;
제2중간산물의 5'-말단 부위를 생성시키기 위한 제3올리고뉴클레오타이드는 5'-제한효소 절단 서열의 다운스트림에 5' to 3' 방향으로 5'-제3공통적 프라이밍 서열과 제3차 5'-제한효소 절단 서열을 포함하고, 제2중간산물의 3'-말단 부위를 생성시키기 위한 제4올리고뉴클레오타이드는 3'-제한효소 절단 서열의 업스트림에 3' to 5' 방향으로 3'-제3공통적 프라이밍 서열과 제3차 3'-제한효소 절단 서열을 추가적으로 포함하고;
(b) 상기 올리고뉴클레오타이드 풀을 상기 5'-말단 제1공통적 프라이밍 서열 및 3'-말단 제1공통적 프라이밍 서열에 혼성화 되는 제1차 프라이머 세트를 이용하여 PCR(polymerase chain reaction) 증폭하는 단계;
(c) 상기 단계 (b)의 증폭 결과물을 상기 제1차 5'-제한효소 절단 서열과 제1차 3'-제한효소 절단 서열에 작용하는 제한효소로 절단하는 단계;
상기 절단에 의해 상기 5'-말단 제1공통적 프라이밍 서열 및 3'-말단 제1공통적 프라이밍 서열이 상기 올리고뉴클레오타이드로 풀로부터 해리(release) 되고;
상기 제1올리고뉴클레오타이드의 5'-말단에 제2공통적 프라이밍 서열이 위치하고, 상기 제2올리고뉴클레오타이드의 3'-말단에 제2공통적 프라이밍 서열이 위치하며, 상기 제3올리고뉴클레오타이드의 5'-말단에 제3공통적 프라이밍 서열이 위치하고, 상기 제4올리고뉴클레오타이드의 3'-말단에 제3공통적 프라이밍 서열이 위치하며;
(d) (i) 상기 제1올리고뉴클레오타이드의 제2공통적 프라이밍 서열 및 제2올리고뉴클레오타이드의 제2공통적 프라이밍 서열에 혼성화 되는 프라미어 세트를 포함하는 제1어셈블리 증폭 반응물 1 및 (ii) 상기 제3올리고뉴클레오타이드의 제3공통적 프라이밍 서열 및 제4올리고뉴클레오타이드의 제3공통적 프라이밍 서열에 혼성화 되는 프라이머 세트를 포함하는 제1어셈블리 증폭 반응물 2를 이용하여 제1차어셈블리 PCR을 실시하여 각각 제1중간산물(intermediates) 및 제2중간산물을 생성시키는 단계;
(e) 상기 단계 (d)의 제1중간산물 및 제2중간산물을 (i) 상기 제1올리고뉴클레오타이드의 제2차 5'-제한효소 절단 서열과 상기 제2올리고뉴클레오타이드의 제2차 3'-제한효소 절단 서열에 작용하는 제한효소 및 (ii) 상기 제3올리고뉴클레오타이드의 제3차 5'-제한효소 절단 서열과 상기 제4올리고뉴클레오타이드의 제3차 3'-제한효소 절단 서열에 작용하는 제한효소로 절단하는 단계; 및,
(f) 상기 단계 (e)의 결과물을 어셈블리 하여 타겟 핵산서열을 수득하는 단계.
Hierarchical preparation of a target nucleic acid sequence comprising the following steps:
(a) 5'-terminal first common priming sequence in the 5 'to 3' direction, primary 5'-restriction cleavage sequence, overlapping target partial sequence, primary 3 ' Preparing an oligonucleotide pool comprising a restriction enzyme cleavage sequence and a 3′-terminal first common priming sequence;
Some of the overlapping target sequences in the oligonucleotide pool comprise the entire target nucleic acid sequence when they overlap each other, and the primary 5′-limiting enzyme cleavage sequence and the primary 3′-limiting enzyme cleavage sequence of the oligonucleotide Are the same as each other;
The first oligonucleotide for generating the 5'-terminal portion of the first intermediate product in the oligonucleotide pool is a 5'-second common priming sequence in the 5 'to 3' direction downstream of the 5'-restriction cleavage sequence. And a second oligonucleotide to further generate a 3'-terminal portion of the first intermediate product, wherein the second oligonucleotide further comprises a 3 'to 5' upstream of the 3'-restriction cleavage sequence. Additionally a 3'-second common priming sequence and a second 3'-restriction cleavage sequence in the direction;
The third oligonucleotide for generating the 5'-terminal portion of the second intermediate product is a 5'-third common priming sequence and a third 5 in the 5 'to 3' direction downstream of the 5'-restriction cleavage sequence. A fourth oligonucleotide comprising a '-restriction cleavage sequence, wherein the fourth oligonucleotide for generating the 3'-terminal portion of the second intermediate product is a 3'-agent upstream of the 3'-restriction cleavage sequence in a 3' to 5 'direction. Further comprises a third common priming sequence and a third 3′-limiting enzyme cleavage sequence;
(b) amplifying the oligonucleotide pool with a polymerase chain reaction (PCR) using a first primer set that hybridizes to the 5'-terminal first common priming sequence and the 3'-terminal first common priming sequence;
(c) cleaving the amplification product of step (b) with a restriction enzyme that acts on the first 5′-limiting enzyme cleavage sequence and the first 3′-limiting enzyme cleavage sequence;
The cleavage causes the 5′-terminal first common priming sequence and 3′-terminal first common priming sequence to be released from the pool into the oligonucleotides;
A second common priming sequence is located at the 5'-end of the first oligonucleotide, a second common priming sequence is located at the 3'-end of the second oligonucleotide, and a 5'-end of the third oligonucleotide. A third common priming sequence is located, and a third common priming sequence is located at the 3′-end of the fourth oligonucleotide;
(d) a first assembly amplification reactant 1 comprising (i) a set of primers hybridizing to a second common priming sequence of the first oligonucleotide and a second common priming sequence of the second oligonucleotide and (ii) the third A first assembly amplification reaction was carried out using a first assembly amplification reactant 2 comprising a primer set hybridized to a third common priming sequence of the oligonucleotide and a third common priming sequence of the fourth oligonucleotide to obtain a first intermediate product. intermediates) and a second intermediate product;
(e) replacing the first intermediate product and the second intermediate product of step (d) with (i) the second 5′-limiting enzyme cleavage sequence of the first oligonucleotide and the second 3 ′ of the second oligonucleotide. A restriction enzyme that acts on the restriction enzyme cleavage sequence and (ii) a third 5'-limiter cleavage sequence of the third oligonucleotide and a third 3'-limiter cleavage sequence of the fourth oligonucleotide Cleaving with restriction enzymes; And
(f) assembling the result of step (e) to obtain a target nucleic acid sequence.
제 1 항에 있어서, 상기 단계 (a)의 올리고뉴클레오타이드 풀은 DNA 마이크로칩으로부터 유래된 것을 특징으로 하는 계층적 제조방법.
The method of claim 1, wherein the oligonucleotide pool of step (a) is derived from a DNA microchip.
제 1 항에 있어서, 상기 단계 (a)의 제1중간산물 및 제2중간산물을 형성하는 올리고뉴클레오타이드의 수는 최소 3개 이상인 것을 특징으로 하는 계층적 제조방법.
The method of claim 1, wherein the number of oligonucleotides forming the first intermediate product and the second intermediate product of step (a) is at least three.
제 3 항에 있어서, 상기 올리고뉴클레오타이드의 수는 최소 4개 이상인 것을 특징으로 하는 계층적 제조방법.
4. The method of claim 3, wherein the number of oligonucleotides is at least four.
제 1 항에 있어서, 상기 단계 (a)의 제2차 제한효소 절단 서열과 제3차 제한효소 절단 서열은 서로 다른 것을 특징으로 하는 계층적 제조방법.
The method of claim 1, wherein the second restriction enzyme cleavage sequence and the third restriction enzyme cleavage sequence of step (a) are different from each other.
제 1 항에 있어서, 상기 단계 (b)의 제1중간산물 및 제2중간산물의 증폭은 서로 다른 튜브에서 실시하는 것을 특징으로 하는 계층적 제조방법.
The method of claim 1, wherein the amplification of the first intermediate product and the second intermediate product of step (b) is performed in different tubes.
제 1 항에 있어서, 상기 단계 (b)의 제1중간산물 및 제2중간산물의 크기는 300-500 bp인 것을 특징으로 하는 계층적 제조방법.
The method of claim 1, wherein the size of the first intermediate product and the second intermediate product of step (b) is 300-500 bp.
제 1 항에 있어서, 상기 방법에서 실시하는 어셈블리 PCR은 65℃ 이상의 어닐링 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 계층적 제조방법.
The method of claim 1, wherein the assembly PCR carried out in the method is carried out at an annealing temperature of 65 ℃ or more hierarchical manufacturing method.
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