Актуальные технологии создания биоматериалов на основе ДНК требуют развития методологических основ, которые позволят упростить и удешевить получение большого количества ДНК. Синтез ДНК ab initio – неканонический синтез термофильными ДНК-полимеразами прокариот д.ц. ДНК только из дНТФ. Нами обнаружен чрезвычайно эффективный синтез ДНК ab initio полимеразой Bst в присутствии никующих эндонуклеаз (никаз) Nt.BspD6I, Nt.AlwI, Nb.BbvCI и Nb.BsmI. Последовательности ДНК состояли из коротких повторов палиндромов (Nt.AlwI, Nb.BbvCI, и Nb.BsmI) или непалиндромов (Nt.BspD6I), содержащих несколько сайтов узнавания никаз и небольшую случайную AT-богатую последовательность. 1 ед. акт. ДНК полимеразы Bst синтезировала за 1,5 часа более 10 мкг ДНК. В присутствии большого количества никазы синтезировались «низкомолекулярные» продукты размером 1-2 тыс. п.о. Уменьшение количества никазы приводило к увеличению размера продуктов до сотен тыс. п.о. ДНК размером 1-2 тыс. п.о. легко расщеплялась рестриктазами, сайт узнавания которых совпадал с сайтом узнавания никаз, участвовавших в синтезе. При увеличении длины молекул до 20 тыс. п.о. и более их было почти невозможно гидролизовать этими же рестриктазами. Все продукты полностью расщеплялись нуклеазой Mung bean, специфичной к о.ц. участкам, возникающим в месте петель и разветвленных структур. Атомно-силовая микроскопия показала, что высокомолекулярная ДНК в основном представлена длинными линейными д.ц. молекулами, содержащие о.ц. и трехцепочечные сегменты. Большое количество разветвленных участков этой ДНК формирует сетчатую структуру. Низкомолекулярная ДНК не формировала сети и состояла из одиночных линейных д.ц. молекул с небольшим количеством участков ветвления. Так, синтез ab initio позволяет задавать последовательность и длину ДНК и приводит к образованию продуктов, имеющих сложные пространственные структуры. Являясь недорогой и эффективной, эта реакция представляется перспективной для разработки биоматериалов на основе ДНК.

The essential part of modern DNA nanotechnology is the development of approaches to the formation of systems with a high yield at relatively low cost. Ab initio DNA synthesis is a noncanonical synthesis of dsDNA by thermophilic DNA polymerases of prokaryotes only from free dNTPs. We found that very intensive ab initio synthesis by thermophilic DNA polymerase Bst takes place in the presence of nicking endonucleases (NEases) Nt.BspD6I, Nt.AlwI, Nb.BbvCI and Nb.BsmI. The resulting DNA contained mainly the repeats of short non-palindromic (Nt.BspD6I) or palindromic (Nt.AlwI, Nb.BbvCI, Nb.BsmI) sequences with several recognition sites of the NEases and a small random AT-rich sequence between them. More than 10 µg of DNA was synthesized by 1 a.u. of Bst DNA polymerase in 1.5 h. In the presence of a large amount of NEase were synthesized products of 1-2 kbp. The decrease in the amount of NEase caused the increase in the size of products up to 100 kbp. Restriction endonucleases whose recognition sites coincided with that of the NEases completely hydrolyzed low-molecular-weight 1-2 kbp products of the ab initio synthesis. The DNA products over 20 kbps were extremely difficult to further digest with the same restriction enzymes. The treatment of all the synthesized DNAs with the Mung bean nuclease, which is specific to ssDNA, loops, branches etc considerably reduced their size to short DNA fragments. Atomic force microscopy revealed that high-molecular-weight dsDNA products branched and formed net-like structures. The DNA contained single-stranded and triple-stranded segments. Low-molecular-weight DNA molecules did not form networks and consisted of single linear ds molecules with small number of branches. Thus, ab initio DNA synthesis allows specifying the sequence and length of DNA and generates the products with complex spatial structures. This fast high-yielded and inexpensive reaction may be very useful to develop techniques for the fabrication of DNA-based biomaterials.