在合成生物學(xué)領(lǐng)域，DNA合成技術(shù)一直被視為制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。傳統(tǒng)高通量DNA合成技術(shù)，是在單一芯片表面合成數(shù)百萬(wàn)條DNA短片段，雖能一次合成大量片段，但每條片段的產(chǎn)量極低，且容易出現(xiàn)片段間交叉污染，嚴(yán)重影響后續(xù)長(zhǎng)片段組裝的成功率。因其無(wú)法同時(shí)滿足“高通量”“長(zhǎng)片段”“低成本”的需求，直接限制了復(fù)雜代謝途徑研究、染色體工程、大規(guī)模突變庫(kù)構(gòu)建等前沿研究的深入推進(jìn)。

10月1日，華大生命科學(xué)研究院聯(lián)合多家機(jī)構(gòu)發(fā)布一項(xiàng)自主研發(fā)的基于并行原理的DNA合成技術(shù)（mMPS），以“微芯片”的創(chuàng)新范式從源頭顛覆了DNA合成技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了在合成通量、產(chǎn)量和質(zhì)量上的系統(tǒng)性突破。該技術(shù)將合成生物學(xué)從“寫得出”推向“寫得準(zhǔn)、寫得優(yōu)、寫得省”的新高度，有望為基因組編寫、疫苗快速開發(fā)與DNA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域提供關(guān)鍵支撐，在全球生物制造領(lǐng)域展現(xiàn)中國(guó)創(chuàng)新的底層突破力量。相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際期刊《自然·生物技術(shù)》（Nature Biotechnology）。

Nature Biotechnology

打破技術(shù)局限

攻克傳統(tǒng)DNA合成效率、

成本與覆蓋度難題

與傳統(tǒng)技術(shù)不同，mMPS技術(shù)采用了一種創(chuàng)新的合成路徑：將一張芯片分為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的、毫米級(jí)的微芯片，在每個(gè)微芯片上僅合成一條短鏈DNA，且芯片表面均帶有專屬識(shí)別碼，可對(duì)DNA片段進(jìn)行身份識(shí)別與分選，全程追蹤該片段的合成過(guò)程。此外，通過(guò)“識(shí)別-分選-合成-回收”的循環(huán)機(jī)制，使芯片具備可重復(fù)使用的能力，為可持續(xù)、低成本的DNA合成奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

mMPS技術(shù)原理示意

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這些微芯片就像一個(gè)個(gè)帶著專屬工號(hào)的“工人”。合成工廠的智能掃描儀識(shí)別出它的工號(hào)之后，能夠快速判斷它應(yīng)該去合成哪條特定的短鏈DNA，便通過(guò)傳送帶將不同的工人精準(zhǔn)送往對(duì)應(yīng)的工作崗位（反應(yīng)柱），在這里合成一條DNA短鏈。合成工作完成后，這些工人還能被收集起來(lái)，準(zhǔn)備投入下一輪的工作。

通過(guò)這樣的模式，mMPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多重突破：

· 產(chǎn)量躍升

單條DNA序列的產(chǎn)量從傳統(tǒng)的fmol級(jí)別（極微量）提升到pmol~nmol級(jí)別，幅度達(dá)4-6個(gè)數(shù)量級(jí)；

· 流程簡(jiǎn)化

組裝基因步驟從原來(lái)至少5步以上的操作優(yōu)化至僅需2步完成，且無(wú)需額外添加擴(kuò)增引物或酶切位點(diǎn)，可直接用于基因組裝，避免錯(cuò)誤累積；

· 精準(zhǔn)可控

每條DNA片段都在各自的專屬“空間”合成，避免了交叉污染，反應(yīng)條件還可根據(jù)需求獨(dú)立優(yōu)化。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了mMPS在基因組裝、突變庫(kù)構(gòu)建等多場(chǎng)景下的卓越綜合性能。研究成果充分證明了該技術(shù)在處理復(fù)雜序列、高GC含量區(qū)域和重復(fù)序列方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為蛋白質(zhì)穩(wěn)定性研究、疾病突變機(jī)制解析提供了可靠的技術(shù)支撐，將助力科研人員更深入地探索生命科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，為疾病治療、新藥研發(fā)等領(lǐng)域的突破奠定基礎(chǔ)。

催生產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，

推動(dòng)DNA合成邁向生物制造新時(shí)代

目前，基于mMPS技術(shù)打造的標(biāo)準(zhǔn)化高通量合成平臺(tái)已在常州華大孵化落地，并已在多個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。該技術(shù)有望全面推動(dòng)DNA合成從一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室服務(wù)，升級(jí)為生物制造基礎(chǔ)設(shè)施，從而在醫(yī)藥、診斷等領(lǐng)域催生系統(tǒng)性效率革命。

在創(chuàng)新藥物研發(fā)領(lǐng)域中，找到并優(yōu)化出關(guān)鍵的藥物靶點(diǎn)，對(duì)研發(fā)抗體藥物、針對(duì)癌癥的CAR-T細(xì)胞治療來(lái)說(shuō)都是極其重要的一步，而這背后離不開高質(zhì)量的突變體庫(kù)構(gòu)建，即包含大量基因變異的“藥物候選資料庫(kù)”。相較于傳統(tǒng)方法需耗時(shí)數(shù)周完成突變庫(kù)構(gòu)建，mMPS技術(shù)體系可將其縮短至數(shù)天，大幅加速抗體發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化進(jìn)程，并顯著提升覆蓋度與均勻性，讓“救命藥”更早走到患者面前。

在酶制劑、生物基材料、精細(xì)化學(xué)品等生物制造領(lǐng)域，“高效菌株”是決定工業(yè)化生產(chǎn)效率與產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素。mMPS支持快速酶定向進(jìn)化，可將菌株改造周期從數(shù)月縮短至數(shù)周。研究表明，其單堿基合成成本比傳統(tǒng)方法降低約70%，為大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用鋪平道路。生物制造企業(yè)可借此構(gòu)建專屬酶庫(kù)和代謝途徑庫(kù)，形成技術(shù)壁壘。

在臨床診斷領(lǐng)域，引物探針是幫助醫(yī)生排查特定基因靶點(diǎn)、病毒片段、基因突變等的檢測(cè)工具。面向多靶點(diǎn)檢測(cè)、早篩panel定制等需求，制作引物探針的傳統(tǒng)“柱式合成”方法需多次操作且成本高昂。而mMPS可一次性合成數(shù)千對(duì)引物探針，合成成本下降3倍以上。這將推動(dòng)NGS檢測(cè)panel從數(shù)百個(gè)靶點(diǎn)向萬(wàn)級(jí)靶點(diǎn)升級(jí)，為癌癥早篩、傳染病監(jiān)測(cè)、遺傳病診斷提供更有力的解決方案。

值得一提的是，mMPS技術(shù)所具備的模塊化、自動(dòng)化特性，為生物鑄造廠（Biofoundry）的興起提供了技術(shù)基礎(chǔ)。未來(lái)可能出現(xiàn)“DNA合成即服務(wù)”的新型平臺(tái)，通過(guò)AI驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化合成、機(jī)器人測(cè)試的閉環(huán)，為行業(yè)提供從序列設(shè)計(jì)到功能驗(yàn)證的一站式解決方案。

mMPS設(shè)備外觀及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

隨著芯片可重復(fù)使用技術(shù)的成熟和合成工藝的進(jìn)一步優(yōu)化，mMPS將成為下一代工業(yè)級(jí)DNA合成工廠的核心引擎。

華大生命科學(xué)研究院合成生物學(xué)首席科學(xué)家沈玥表示：“mMPS技術(shù)的問(wèn)世，不僅僅是DNA合成領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)迭代，更是合成生物學(xué)從‘實(shí)驗(yàn)室探索’走向‘工業(yè)化制造’的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)。未來(lái)，隨著mMPS技術(shù)的推廣應(yīng)用，更多復(fù)雜生物系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建與測(cè)試將成為可能，合成生物學(xué)有望在醫(yī)藥、能源、環(huán)保等領(lǐng)域迎來(lái)真正的產(chǎn)業(yè)化爆發(fā)。”

對(duì)于mMPS技術(shù)的未來(lái)前景，中國(guó)科學(xué)院院士元英進(jìn)認(rèn)為：“未來(lái)，結(jié)合人工智能與自動(dòng)化系統(tǒng)，mMPS有望成為‘設(shè)計(jì)-合成-測(cè)試-學(xué)習(xí)’范式的引擎，推動(dòng)合成生物學(xué)在生物制造、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的深度融合與產(chǎn)業(yè)落地。此項(xiàng)突破不僅彰顯我國(guó)在合成生物學(xué)底層工具領(lǐng)域的創(chuàng)新能力，也為構(gòu)建自主可控的生物技術(shù)體系奠定了重要基礎(chǔ)，具有重大的學(xué)術(shù)價(jià)值與產(chǎn)業(yè)化前景?！?/p>

華大生命科學(xué)研究院張弦笛副研究員、江湘兒副研究員為論文第一作者，華大生命科學(xué)研究院沈玥研究員為論文通訊作者。該成果獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、深圳市科技創(chuàng)新局項(xiàng)目、江蘇省新型研發(fā)機(jī)構(gòu)等的支持。

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