從生物醫(yī)藥到農業(yè)生產，從食品加工到材料工程，從環(huán)保節(jié)能到國防資源，合成生物學在眾多領域都具備顛覆性潛力。而合成生物學最終目的的實現(xiàn)離不開基因序列的重寫或改造。因此，DNA合成技術便是合成生物學的靈魂。

在過去的10年中，DNA測序能力顯著提升，同時CRISPR等基因組編輯工具也取得了重大進展。然而，DNA合成技術卻遲遲沒有趕上。

DNA合成現(xiàn)有的主要化學方法一一亞磷酰胺法最早建立于1980年。它依賴于一個一個的單個核苷酸連接構建成一個完整的DNA鏈。

然而，其固有的錯誤摻入率將合成的有用長度限制在大約200個～300個核苷酸，DNA組裝又需要消耗大量時間，合成后的質量也要嚴格把控。同時還可能存在合成重復序列和富含GC序列的情況，這些序列傾向于形成二級結構，因此具有相當大的挑戰(zhàn)性。

酶促DNA合成方法也在開發(fā)中，但這些技術的效率和準確性仍然是懸而未決的問題，特別是對于長度超過300個核苷酸的序列。

改進的硅芯片技術有可能推動新一代合成器的發(fā)展。

硅芯片技術的發(fā)展催生了新一代DNA合成儀

借助這項技術，一個芯片可以集成多達10，000個獨立控制的“像素”，每個“像素”都可以作為化學或酶促DNA合成的反應位點。然后以高度平行的方式控制芯片表面上成千上萬個獨立控制的反應位點的DNA合成。合成后，在識別和消除錯誤的過程中，將鏈在芯片上組裝成雙鏈DNA，從而使準確性、規(guī)模和速度比傳統(tǒng)方法好幾個數量級。“像素”的熱控制允許合成方法從現(xiàn)有的酸脫保護方法更新為新的熱不穩(wěn)定保護基團。

與當前技術相比，“熱”芯片技術有望通過將合成序列的長度擴展到數千個核苷酸來將保真度提高幾個數量級。此外，“熱”芯片技術可以使合成器以獨特的方式提供無錯誤的雙鏈DNA，顯著減少合成后質檢和純化所需的時間。

較長DNA序列的合成和組裝通常涉及專門的設備和較高的成本。因此，大部分工作都會外包給可集中處理的公司，控制權會從科學家手中脫離?，F(xiàn)在，這項工作可以使用基于“熱”芯片技術的定序器在內部直接完成。

這項技術將作為一種“即插即用”的小型桌面儀器應用于實驗室，它將以前所未有的精確度、規(guī)模和速度合成DNA。

新一代的DNA合成儀有望擴大到包括臺式PCR熱循環(huán)儀和DNA測序儀，在藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)中有幾個領域，新的合成技術將產生直接的、深遠的影響。

重組單克隆抗體

單克隆抗體是一種目前比較受青睞的藥物開發(fā)方式，因為它們具有很高的抗原結合特異性并且相對容易制造。自1986年第一個單克隆抗體療法被FDA批準以來，治療性抗體的市場已成倍增長，超過1000億美元。今天，抗體幾乎占所有生物制藥的80%以上，并且治療范圍涵蓋了廣泛的疾病領域，包括腫瘤、免疫性疾病和傳染病等。

重組抗體技術顯著提高了抗體制備的質量和范圍，使抗體和具有特異性、反應性、同型的抗體片段以及片段構象得以工程化生產。大規(guī)模并行合成數千個單獨的合成DNA序列，有可能通過生成合理設計、密碼子優(yōu)化的抗體庫，從而進一步徹底改變抗體的發(fā)現(xiàn)和工程化生產，其變體比傳統(tǒng)方法多2倍～10倍。

按需獲取3kb～4kb的高精度合成DNA序列，將使研究人員有更大的空間來設計新的結構和特異性，一旦確定了其可能的治療價值，就可以快速生成高度多樣化的抗體庫且具有高效的優(yōu)化周期。

合成DNA還擴展了可變序列的可能范圍，超出了來自人類或動物捐贈庫中所能找到的范圍。這通過創(chuàng)建難以與常規(guī)小分子（例如G蛋白偶聯(lián)受體）結合的目標抗體，為“不可成藥”靶點的針對性藥物提供了新途徑。

生物分子療法

合成DNA技術擴展了開發(fā)改進的或全新的生物分子療法的可能性，包括酶、肽、RNA催化劑以及DNA和RNA適體。

按需DNA合成可以通過快速生成基因編碼的新型肽庫來幫助藥物發(fā)現(xiàn)，特別是用于解決具有挑戰(zhàn)性的問題，例如蛋白質一蛋白質相互作用。DNA合成技術應用在另一種需要大規(guī)模生成DNA的技術——DNA條形碼技術中，也使得序列分辨與反卷積變得簡單。

計算生物學的最新進展，例如DeepMind的AlphaFold，擴展了基于初級氨基酸序列預測蛋白質結構的能力，為具有藥理學理想特性的新型生物分子的設計提供了信息。將合理的分子設計與序列可知的高通量DNA合成相結合，將引起治療酶或其他生物活性蛋白質的快速迭代和進化。

應用快速合成重復DNA序列很重要的另一個領域是DNA和RNA適配體的開發(fā)。適配體有時也稱為“化學抗體”，是20個～60個核苷酸的寡聚體，可以高度特異性地結合從無機分子到大分子復合物甚至全細胞的一系列靶點，并具有顯著的診斷和治療潛力。

適體開發(fā)始于合成寡核苷酸的多樣化資料庫，這些資料庫經過多輪進化和結合特性選擇。因此，獲得快速的高通量按需DNA合成將大大加快適體篩選和優(yōu)化的過程。

疫苗

許多類型的疫苗的開發(fā)都需要合成DNA，包括DNA、mRNA和病毒載體疫苗。

正如COVID-19大流行所表現(xiàn)的那樣，在開發(fā)新型疫苗以應對疫情和不斷演變的變異毒株時，速度至關重要。快速按需DNA合成與新一代疫苗平臺技術相結合，可以在幾天內就從新型病原體的基因序列數據到構建出一系列候選疫苗。

盡管mRNA和病毒載體疫苗因其在大流行中的作用備受關注，但由于最近在遞送、免疫原性和序列優(yōu)化方面的突破，人們重新對DNA疫苗產生了興趣。此外，DNA疫苗高度穩(wěn)定，無需冷鏈運輸和儲存，并且比mRNA或病毒疫苗更容易制造。

DNA疫苗目前不僅在COVID-19和一些其他傳染病中正在進行試驗，而且通過開發(fā)合成DNA疫苗來觸發(fā)針對每個患者疾病中表達的獨特新抗原量身定制的免疫反應，在腫瘤學方面也有重大機遇。盡管過去由于合成完整質粒的挑戰(zhàn)，完全合成新型疫苗的開發(fā)受到限制，但產生高精度的大規(guī)模合成DNA的技術將為個性化癌癥免疫治療開辟令人興奮的新可能性。

合成DNA在藥物開發(fā)中有著廣泛的應用，從DNA庫構建到新型生物制劑、疫苗等。然而，它的使用受到緩慢、集中的服務以及較長序列缺乏準確性的阻礙。新一代DNA合成儀將帶來前所未有的準確性、規(guī)模和速度，可以使這項技術的使用大眾化，并實現(xiàn)合成DNA在加速未來藥物開發(fā)方面的全部承諾。（摘自美<深科技》）（編輯/多洛米）