DNA合成中常用的化学方法有哪些,不同方法的合成效率和准确性有何差异?

信息来源:金开瑞 作者:genecreate_cn 发布时间:2025-12-03 10:58:09

    DNA合成的核心化学方法围绕“高效连接核苷酸、减少副反应”展开,目前主流及传统方法主要包括固相亚磷酰胺法、磷酸二酯法、H-磷酸酯法,以及衍生的硫代磷酸酯法,各类方法在合成效率、准确性上差异显著,具体如下:

一、固相亚磷酰胺法(商业化主流方法)

    这是目前应用最广泛的DNA化学合成技术,1981年由Caruthers发明,核心依赖固相载体固定链端、亚磷酰胺单体的“保护-脱保护”循环实现核苷酸逐步连接。其合成循环包括四步:用三氟乙酸脱除5’端保护基、活化后的单体与暴露羟基偶联、未反应羟基乙酰化封端、亚磷酸三酯键氧化为稳定的磷酸二酯键,最终经氨水切割和纯化得到目标DNA。

    在合成效率上,它的单步偶联效率可达99.0%~99.8%,是现有方法中最高的。但总效率随链长呈指数下降:20mer总效率约90.5%,50mer约77.9%,100mer约60.6%,超过200mer需特殊优化才能维持50%以上效率;每轮循环仅需10~15分钟,100mer合成含后处理约20~25小时,速度较快。

    准确性方面,该方法错误率较低,每100个核苷酸仅0.5~1个错误,主要错误类型为偶联失败导致的缺失突变(封端步骤已大幅减少)和少量因单体杂质引发的错配突变。其高准确性得益于封端策略、碱基保护基的特异性以及高纯度单体(≥99%),但长链合成时错误会累积,200mer错误率可达5%~10%。

二、磷酸二酯法(早期传统方法)

    这是最早开发的DNA化学合成方法(1950s),核心是通过缩合剂(如二环己基碳二亚胺)促进3’端游离羟基与另一单体5’端保护的磷酸基团反应,直接形成磷酸二酯键,早期为液相合成,后期发展为固相合成,但因保护基脱除复杂,已逐渐被淘汰。

    合成效率上,它的单步偶联效率仅95%~97%,远低于固相亚磷酰胺法,且副反应较多(如磷酸酯水解)。长链合成能力极差,10mer以上总效率显著下降(10mer约66.5%),无法满足长链DNA需求;每步反应需多次洗涤分离,循环时间约30分钟/轮,速度缓慢。

    准确性方面,该方法错误率较高,每100个核苷酸约3~5个错误。主要原因是缺乏高效封端步骤,未反应羟基易导致缺失突变,且碱基氨基保护不完全易引发交叉反应,同时缩合剂反应特异性不足,副反应较多,仅适用于短链寡核苷酸(<10mer),目前仅在特殊化学修饰短链DNA合成中偶尔使用。

 

三、H-磷酸酯法(亚磷酰胺法的补充方法)

    1980s开发的该方法,核心是使用3’端含H-磷酸酯基团、5’端被DMT保护的单体,经缩合剂活化后与另一单体的5’羟基反应形成H-磷酸酯二酯键,最后氧化为磷酸二酯键,优势是单体稳定性高(无需严格无水无氧)、合成步骤简化。
合成效率上,其单步偶联效率介于亚磷酰胺法和磷酸二酯法之间,约98%~99%。长链合成能力有限,50mer总效率约46%,仅适用于30mer以下的短链合成;每轮循环需15~20分钟,速度略慢于固相亚磷酰胺法。

    准确性方面,错误率中等,每100个核苷酸约1~2个错误。优点是单体稳定性高、杂质少,错配突变率较低;但H-磷酸酯键氧化步骤易发生链断裂等副反应,且无高效封端策略,缺失突变率高于固相亚磷酰胺法,主要用于含特殊修饰(如硫代磷酸酯、甲基膦酸酯)的短链DNA合成。

 

四、硫代磷酸酯法(亚磷酰胺法的衍生修饰方法)

    该方法与固相亚磷酰胺法原理基本一致,核心差异是氧化步骤用四硫代钼酸铵或二硫化碳替代碘,将亚磷酸三酯键转化为硫代磷酸酯键(P=S取代天然P=O),使DNA骨架更稳定、抗核酸酶降解,常用于antisense RNA、siRNA等药物研发。
合成效率上,单步偶联效率与固相亚磷酰胺法一致(99%~99.5%),但硫代氧化步骤反应速率较慢,需延长反应时间,总循环时间约15~20分钟/轮;长链合成能力略低于固相亚磷酰胺法,最优条件下可合成150mer左右。

    准确性方面,错误率与固相亚磷酰胺法接近(每100个核苷酸0.5~1个错误),但硫代氧化过程中可能出现少量“部分氧化”副产物,需额外纯化去除,整体准确性仅略低于主流方法。




X