合成生物学发展瓶颈之DNA合成:酶法合成成绩亮眼,无细胞克隆法获巨头青睐

 
 
 
合成生物学的本质在于设计和创造,无论是“改造已有的天然生物系统”还是“设计和建造新的生物元件、装置和系统”,都是基于 DNA 进行的。
 
常规的遗传操作技术是对已有的 DNA 序列进行编辑,是在框架内的有限改造;而 DNA 合成技术则实现从头设计,可以 100% 地原创,将我们对生命体操控的能力提升到另一高度。
 
合成生物学被认为将引领第三次生物技术革命,在此之前,它还需要突破 DNA 合成这一关键瓶颈。事实上,现阶段想要大规模地合成 DNA 仍然很慢、很贵、很麻烦。
 
 
图丨网上随机查找的价格表(来源:纽普生物)
 
DNA 合成技术大体可以分为化学法和生物法。
 
经历超过 60 年的发展后,化学合成法仍然是当前寡核苷酸合成的主流方法,它被广泛应用于柱式及芯片 DNA 合成仪,更为成熟且已实现商业化;生物法中具有代表性的是酶促合成技术,它被认为有望颠覆传统的 DNA 化学合成方法,其合成技术理论效率更高,目前尚处于原始创新阶段。
 
此外,新兴的商业化技术还包括热控合成(Evonetix )、文库基因合成(Ribbon Biolabs)、从 DNA 微阵列合成基因(Twist Bioscience)、滚环扩增技术(Touchlight Genetics)等。
 

DNA 合成中的痛点:长度限制和复杂结构
 
当前在 DNA 合成中有两个主要痛点,长度限制和复杂结构。由于这些限制,在推进应用的过程中,DNA 合成技术限制了客户可以设计的基因编辑实验的类型;对于可以提供的序列,交付时间则会被延长。
 
对于合成生物学初创企业来说,DNA 合成更是一项非常耗时的任务。通常,他们或直接购买 DNA;或购买即用型自动合成仪器,然后自己在实验室中制造 DNA,而配备一个生物研究室可能需要花费数百万美元。
 
当对一个生物体进行代谢改造时,通常需要制作含有 1 万个或更多 DNA 碱基对的基因结构,在此基础上,如果代谢途径很长或酶为多结构域时,需要的 DNA 就更长、更复杂。例如,通过合成生物学技术生产新的抗癌药物,可能需要 5个、10个、20 个甚至更多的生化步骤,多种酶协同工作。这种情况下,这些公司通常很难订购到现成的所需 DNA,而需要自己将各种 DNA 片段拼接在一起。因此,长且具有复杂结构的 DNA 可以减轻初创企业的负担,让初创公司更加专注于产品。
 
此外,制药公司将 DNA 视为能够从最早阶段迅速转移到临床可部署疫苗的关键瓶颈,在长 DNA 的快速合成推动下,mRNA 疫苗也可以非常迅速地从筛选进展到扩大规模,更快地用于临床;在植物生物技术的应用中,用来将基因引入植物的细菌,即农杆菌,大小可以达到 6 万个 DNA 碱基对,因此长 DNA 的合成也是提速的关键。
 

酶促合成法成绩亮眼
 
DNA 合成行业正在明显转向更环保的解决方案,以减少对化学试剂和有机溶剂的依赖。在众多解决方案中,酶促 DNA 合成法成绩亮眼。
 
利用化学法合成 DNA 时,往往需要将分段合成的寡核苷酸片段装配成长片段 DNA,寡核苷酸的合成与组装过程都不可避免地引入错误,而准确性是确保在细胞中制造正确产品(如酶)的关键。与化学合成法相比,酶促 DNA 合成法在合成长度和纯度方面都占据绝对优势。在酶促 DNA 合成领域,Molecular AssembliesAnsa Biotechnologies、DNA Script、Evonetix 和 Touchlight Genetics 等多家公司竞争激烈。
 
今年以来,酶法 DNA 合成技术屡有突破。
 
3 月 9 日,Ansa Biotechnologies 宣布成功从头合成 1005 个碱基的 DNA 序列,重要的是,其合成的序列不仅长,还包含复杂的特征,包括二级结构和高 GC 含量,编码用于基因治疗开发的 AAV 载体的关键部分。使用标准的分子生物学技术克隆 Ansamer™寡核苷酸发现,它含有大约 28% 的序列完美分子,表明在其合成过程中,平均分步产量约为 99.9%,处于行业领先地位。
 
可以说,Ansa 同时实现了酶法合成 DNA 长度和复杂程度的突破。
 
 
3 月 14 日,Molecular Assemblies 也公布了新进展,其已将第一批酶法合成的寡核苷酸运送给顶尖的生物技术、学术和合成生物学研究人员。这也是 MAI 在 2022 年启动的重要客户计划的部分交付工作。
 
 
公司官网显示,MAI 专有的 Fully Enzymatic Synthesis™ (FES™) 平台使用水溶性无毒试剂,且合成后的 DNA 易于纯化。总结来说,在合成周期、寡核苷酸长度和纯度方面具有优势。
 
在中国,国内首家以 DNA 生物合成设备研发及应用推广为核心的企业——中合基因正在加速集成公司前期研发的 Oligo 生物合成仪和 Kb 级基因组装仪,开发一体化桌面式 Kb 级基因合成仪。今年1月末,中合基因宣布完成数千万元天使轮融资。
 

Moderna 入局无细胞克隆法
 
1 月 4 日,mRNA 疗法和疫苗巨头 Moderna 宣布将以 8500 万美元收购无细胞 DNA 合成和扩增技术的先驱 OriCiro Genomics,由此获得后者的无细胞合成生物学技术(如无细胞长片段 DNA 扩增技术以及 mRNA 扩增技术),用于未来 mRNA 治疗药物和疫苗的研发和生产。
 
根据资料,OriCiro Genomics 成立于 2018 年 12 月,专注于无细胞合成和质粒 DNA 扩增的开发和商业化。OriCiro 专有的、世界上第一个用于大型环状 DNA 的无细胞克隆系统 OriCiro ,可在几个小时内完成最长 1Mbp 片段的扩增,适用于任何序列,克服了传统的 PCR 技术和大肠杆菌克隆方法的局限性。
 
Moderna 方也称 OriCiro Genomics 的工具是合成质粒 DNA 的“同类最佳”工具。这一收购行为至少能够表明,无细胞克隆法生产长片段 DNA 已经获得了行业巨头的认可。
 
近期,另一家无细胞克隆法初创公司 Elegen 取得了新进展。
 
 
3 月 21 日,DNA 合成初创公司 Elegen 推出 ENFINIA™ DNA,根据官方消息,新产品可在短短 7 天内生产多达 7000 个碱基的全长 DNA,每个碱基的准确率为 99.999%。
 
此外,Elegen 已经证明,在构建长度超过 18000 个碱基对的 DNA 质粒方面有超过 95% 的成功率。基于 Elegen 生产的长片段 DNA,构建长度超过 18,000 个碱基对的序列完美的 DNA 质粒,只需组装几个 ENFINIA 片段。
 
 
图丨Elegen Bio 首席执行官兼创始人 Matt Hill(来源:Elegen Bio 官网)
 
据了解,Elegen 的 ENFINIA™ DNA 是由其专有的无细胞克隆技术实现的,该技术可产生接近克隆的准确性,而不涉及繁琐的传统克隆方法。这种新方法让它可以显著简化克隆步骤并获得非常高的通量
 
公司方面称,快速准确地写入长 DNA 是合成生物学所需要的,Elegen 提供了一个无与伦比的速度、长度和准确性组合。
 
(来源:Elegen 官网)
 
不过,Elegen 还没有完全解决生产 DNA 复杂结构的难题,公司称正在开发可以改进这一点的技术。
 
(来源:Elegen 官网)
 

写在最后
 
合成生物学已经被列为国际上国家争夺主导地位的技术标准,未来 70% 化学制备的产品可以被生物制造取代,这不但能够大大降低环境的污染,也将彻底改变当今所有化工企业的运作模式。
 
这门特殊的学科将生物领域基础研究转化为实际社会生产力,起到桥梁作用。从基础到应用再到转化落地是很长的一条路。
 
有业内人士表示,虽然近几年整个投资行业对合成生物学公司支持力度非常大,但就其来看,其实大部分都是泡沫的。
 
相信 DNA 合成的突破在助力合成生物学加速突破的同时,也能给业内人士更多的信心。
 
参考资料:
1.https://www.forbes.com/sites/johncumbers/2023/04/24/synthetic-biology-is-set-to-explode-but-only-once-this-huge-bottleneck-is-gone/?sh=4f20e5bc31e0
2.https://synbioj.cip.com.cn/article/2020/2096-8280/2096-8280-2020-1-6-697.shtml
3.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36714378/
 
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创建时间:2023-11-07 13:28