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 Assemblies、Ansa 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=4f20e5bc31e02.https://synbioj.cip.com.cn/article/2020/2096-8280/2096-8280-2020-1-6-697.shtml3.https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36714378/免责声明：本文旨在传递合成生物学最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。
