BAC-browser:合成生物学领域的创新工具 —— 助力基因序列设计与组装

《BMC Bioinformatics》:BAC-browser: the tool for synthetic biology

【字体: 时间:2025年02月10日 来源:BMC Bioinformatics 2.9

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  在合成基因组学快速发展的当下,设计合成序列和组装 DNA 序列需专业软件。研究人员开展了 BAC-browser 软件的研发。结果显示,BAC-browser v.2.1 具备多种功能,可用于基因合成等。该软件为合成基因组学研究提供了有力支持。

  合成基因组学作为生命科学领域的前沿方向,近年来取得了令人瞩目的进展。如今,合成数千碱基对(kbp)长度的核苷酸序列已成为分子生物学的常规操作,科学家们借此创建 DNA 文库,优化生物合成途径,甚至成功合成了病毒、细菌和低等真核生物的完整基因组与染色体。然而,这一领域的发展也面临诸多挑战,其中软件开发的滞后尤为突出。目前,虽然已有不少商业和免费的基因合成程序,但它们大多仅适用于处理与平均基因长度相当的核苷酸序列,在面对长基因组序列时往往力不从心。而且,现有的工具在功能集成度和操作便捷性上也存在不足,难以满足科研人员日益增长的需求。为了突破这些瓶颈,俄罗斯研究机构 Research Institute for Systems Biology and Medicine、Research and Clinical Centre of Physical-Chemical Medicine 以及 Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine 的研究人员开展了深入研究,研发出了 BAC-browser 软件,相关成果发表在《BMC Bioinformatics》上。
在技术方法方面,研究人员主要运用了以下关键技术:一是开发多种算法用于生成寡核苷酸,包括 Regular 算法将序列等长分割,Ungapped 和 Gapped 算法基于热力学优化分割序列;二是利用 LCR(Ligase Chain Reaction,连接酶链反应)和 PCR(Polymerase Chain Reaction,聚合酶链反应)技术进行基因组装;三是通过可视化分析工具,如对限制酶切位点、GC 组成、GC 偏斜和二级结构等进行可视化展示,辅助序列设计与优化。

研究结果如下:

  • 序列设计和分析功能:BAC-browser v.2.1 增强了基因组浏览器功能,具备图形化界面,能以线性或圆形视图展示带注释的核苷酸序列。可从氨基酸序列生成核苷酸序列,还能生成随机序列。同时,它支持可视化限制酶切位点、GC 组成等,有助于优化核苷酸序列,避免非目标组装产物的出现。
  • 寡核苷酸生成算法:开发了 Regular、Ungapped 和 Gapped 三种生成寡核苷酸的算法。Regular 算法将序列等分成特定长度片段;Ungapped 算法无间隙地分割双链 DNA;Gapped 算法可在寡核苷酸间引入间隙,节省合成成本。生成的寡核苷酸可用于 LCR 和 PCR 组装,且能可视化热力学特征,必要时可手动编辑。
  • 基因组装实验:以野生型噬菌体核酸内切酶 IV 基因 gp49、氯霉素抗性基因 camR 和限制酶 BseRI 基因片段为研究对象,分别用不同算法生成寡核苷酸进行基因组装实验。结果表明,这些基因均能成功组装,且组装过程具有特异性,即便在多种基因片段混合的情况下也能有效组装。此外,还成功组装了 3.5kb 的 BseRI 全长基因。

研究结论与讨论部分指出,BAC-browser 是一款多功能基因组浏览器,融合了分子生物学、系统生物学和合成基因组学的多种功能。它为核苷酸序列设计和基于寡核苷酸的 DNA 组装提供了强大工具,开发的三种寡核苷酸生成方法可用于 LCR 和 PCR DNA 组装,能在多种条件下特异性地组装基因。对于长 DNA 序列,开发的算法可将其分割为较短的重叠片段进行组装,且已成功实现 3.5kb DNA 片段的组装。该软件免费且操作便捷,为合成基因组学研究提供了新的有力手段,推动了相关领域的发展,有助于科研人员更高效地开展基因合成和基因组工程研究。

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