北京2024年11月21日 /美通社/ -- 合成科學融合了合成化學與合成生物學，在科技革命和產業變革中扮演著關鍵角色。它不僅促進了新材料和藥物的開發，還在解決疾病治療、糧食安全和環境保護等全球性挑戰中發揮了重要作用。2023年5月發布的《中國合成科學2035發展戰略》體現了國家對這(zhe)一(yi)領域(yu)的(de)高度(du)重視。隨著(zhu)技術(shu)在醫藥、農(nong)業和(he)(he)材料科(ke)(ke)學(xue)等領域(yu)的(de)應(ying)用不斷擴(kuo)大，市場(chang)需(xu)求也在持續增(zeng)長。合成(cheng)科(ke)(ke)學(xue)正成(cheng)為(wei)(wei)推(tui)動科(ke)(ke)技創(chuang)新和(he)(he)產業發(fa)展(zhan)的(de)強大引擎，基(ji)因合成(cheng)被譽(yu)為(wei)(wei)"生命編程"的(de)核心技術(shu)，是推(tui)動合成(cheng)科(ke)(ke)學(xue)的(de)核心驅(qu)動力(li)，既促進了基(ji)礎研究，也為(wei)(wei)藥物開發(fa)、基(ji)因治(zhi)療和(he)(he)個性化(hua)醫療提供(gong)了強大支持。
擎科生物突破技術(shu)壁壘形成基因合成全自(zi)主(zhu)產業鏈的(de)基因工廠，并向下游多個應用領域(yu)拓展，以此推動生物技術(shu)和生物經濟發(fa)展。
擎科基因工廠是以合(he)(he)成(cheng)(cheng)要素中的合(he)(he)成(cheng)(cheng)原料、合(he)(he)成(cheng)(cheng)設備及合(he)(he)成(cheng)(cheng)工藝進行自(zi)動化自(zi)我聚集，搭建(jian)出合(he)(he)成(cheng)(cheng)要素自(zi)主的生產平臺(tai)，可實(shi)現穩定(ding)、高(gao)效、自(zi)動化的核酸(suan)合(he)(he)成(cheng)(cheng)。
擎科基(ji)(ji)因(yin)(yin)工廠生(sheng)產(chan)的(de)核(he)酸(suan)(suan)(suan)類型從十(shi)幾(ji)bp到十(shi)幾(ji)kb甚至幾(ji)百(bai)kb更(geng)長，廣(guang)泛應(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)于各個(ge)(ge)(ge)領域(yu)(yu)，從科學(xue)研究到工業生(sheng)產(chan)。例如，Oligo合(he)(he)成(cheng)在分(fen)子(zi)(zi)生(sheng)物學(xue)研究、分(fen)子(zi)(zi)診斷、基(ji)(ji)因(yin)(yin)編輯和(he)(he)核(he)酸(suan)(suan)(suan)藥物等多(duo)個(ge)(ge)(ge)領域(yu)(yu)中具有廣(guang)泛應(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)，不僅為(wei)科學(xue)研究和(he)(he)技術創新提供了關(guan)鍵(jian)工具，還為(wei)拓展疾病治療方(fang)法開(kai)辟了新途徑(jing)。基(ji)(ji)因(yin)(yin)合(he)(he)成(cheng)的(de)應(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)涵蓋核(he)酸(suan)(suan)(suan)、氨基(ji)(ji)酸(suan)(suan)(suan)和(he)(he)蛋白(bai)質等多(duo)個(ge)(ge)(ge)領域(yu)(yu)，在基(ji)(ji)礎(chu)科研中發揮著關(guan)鍵(jian)作用(yong)(yong)，同時也廣(guang)泛應(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)于核(he)酸(suan)(suan)(suan)疫苗、基(ji)(ji)因(yin)(yin)細胞療法等領域(yu)(yu)。而(er)基(ji)(ji)因(yin)(yin)組合(he)(he)成(cheng)和(he)(he)最簡(jian)基(ji)(ji)因(yin)(yin)組合(he)(he)成(cheng)的(de)應(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)，則包括生(sheng)物育種(zhong)、菌(jun)種(zhong)改(gai)造以及代謝改(gai)造等領域(yu)(yu)的(de)應(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)，將對未來食(shi)品和(he)(he)材料領域(yu)(yu)產(chan)生(sheng)積極影響。
為揭開擎科基因工廠的神秘面紗，本"擎科基因工廠大探秘"系列文章，將帶領大家深入了解。
一、合成原料與合成儀
基因合成的起點是寡核苷酸合成，寡核苷酸合成為基因合成提供了至關重要的原材料。在這個過程中，合成原料是寡核苷酸合成的基礎，正如俗話所說："巧婦難為無米之炊"，合成原料的質量直接決定了最終產品的準確性和可靠性。同時，合成儀作為核心裝備，其通量、載量、長度和效率也顯著影響合成的成本和質量。因此，本篇(pian)文章首先聚焦于(yu)"基因工(gong)廠"的核(he)心基礎——合(he)成原料(liao)和合(he)成儀。
01 合成原料
盡(jin)管酶促合(he)成法(fa)近年來有(you)了(le)顯著的(de)發展，亞磷(lin)酰(xian)胺三酯化(hua)學(xue)合(he)成法(fa)仍(reng)然是寡(gua)(gua)核(he)苷(gan)酸(suan)合(he)成的(de)主流技(ji)術。寡(gua)(gua)核(he)苷(gan)酸(suan)的(de)化(hua)學(xue)合(he)成始于(yu)20世紀40年代(dai)末，1987年美國Marvin H.Caruthers 教授(shou)研發出DNA單鏈合(he)成的(de)固(gu)相亞磷(lin)酰(xian)胺法(fa)（Phosphoramidite Synthesis，SPS），并通過固(gu)相技(ji)術和(he)自動化(hua)合(he)成儀，使(shi)得(de)寡(gua)(gua)核(he)苷(gan)酸(suan)合(he)成效(xiao)率大(da)幅(fu)增加。
合(he)成(cheng)原料(liao)(liao)包括核苷亞磷酰(xian)胺單體（如腺苷、胞苷、鳥苷、胸苷）、脫(tuo)保護和偶聯試劑(ji)、固相載(zai)體、保護基團、洗脫(tuo)和純化試劑(ji)、溶劑(ji)及緩沖(chong)液，以及反應催化劑(ji)，這些原料(liao)(liao)和試劑(ji)共同保證(zheng)了合(he)成(cheng)過程的(de)效率和最終產(chan)品的(de)質量。
磷(lin)酰胺三(san)酯(zhi)合成(cheng)(cheng)法由脫保(bao)護、偶聯、加(jia)(jia)帽和氧(yang)(yang)化(hua)四步化(hua)學反應組成(cheng)(cheng)循(xun)環，在每(mei)個循(xun)環中，（1）脫保(bao)護，通過酸(suan)處(chu)理去除新引入的(de)(de)(de)核(he)苷(gan)(gan)(gan)(gan)酸(suan)5'-羥(qian)基(ji)(ji)上的(de)(de)(de)DMT保(bao)護基(ji)(ji)團，使其暴(bao)露出來，為(wei)(wei)下一個核(he)苷(gan)(gan)(gan)(gan)酸(suan)的(de)(de)(de)連接做(zuo)好準(zhun)備；（2）偶聯，使用活(huo)化(hua)的(de)(de)(de)磷(lin)酰胺三(san)酯(zhi)核(he)苷(gan)(gan)(gan)(gan)酸(suan)與已(yi)固定在固相載(zai)體上的(de)(de)(de)核(he)苷(gan)(gan)(gan)(gan)酸(suan)鏈(lian)進行化(hua)學偶聯，形(xing)成(cheng)(cheng)磷(lin)酸(suan)二(er)酯(zhi)鍵(jian)，將新的(de)(de)(de)核(he)苷(gan)(gan)(gan)(gan)酸(suan)添加(jia)(jia)到(dao)鏈(lian)的(de)(de)(de)3'端；（3）加(jia)(jia)帽，未偶聯的(de)(de)(de)5'-羥(qian)基(ji)(ji)會被(bei)加(jia)(jia)帽以防(fang)止它們在后(hou)(hou)續循(xun)環中反應，確保(bao)只有偶聯成(cheng)(cheng)功的(de)(de)(de)鏈(lian)繼續延(yan)長(chang)；（4）氧(yang)(yang)化(hua)，最后(hou)(hou)通過氧(yang)(yang)化(hua)劑將不穩定的(de)(de)(de)三(san)價磷(lin)原子氧(yang)(yang)化(hua)為(wei)(wei)更穩定的(de)(de)(de)五價磷(lin)，從而使鏈(lian)上的(de)(de)(de)磷(lin)酸(suan)二(er)酯(zhi)鍵(jian)得到(dao)鞏(gong)固。以此循(xun)環，直到(dao)完成(cheng)(cheng)指定寡(gua)核(he)苷(gan)(gan)(gan)(gan)酸(suan)序列的(de)(de)(de)合成(cheng)(cheng)。
合成完(wan)成后，寡(gua)(gua)核(he)(he)苷(gan)酸(suan)鏈仍(reng)固(gu)定在固(gu)相載體(ti)上(shang)，需(xu)使用裂解液(ye)打斷固(gu)相載體(ti)與寡(gua)(gua)核(he)(he)苷(gan)酸(suan)之間的(de)連(lian)接，將合成好的(de)寡(gua)(gua)核(he)(he)苷(gan)酸(suan)從固(gu)相載體(ti)上(shang)氨(an)解切割下來，并(bing)去除寡(gua)(gua)核(he)(he)苷(gan)酸(suan)上(shang)的(de)各種(zhong)保(bao)護(hu)基(ji)團，包(bao)括堿基(ji)上(shang)的(de)保(bao)護(hu)基(ji)和(he)糖(tang)基(ji)2'位的(de)TBDMS基(ji)團，最后通過高(gao)效液(ye)相色(se)譜(pu)（HPLC）或(huo)其他純化(hua)方(fang)法，分離并(bing)純化(hua)目標寡(gua)(gua)核(he)(he)苷(gan)酸(suan)序(xu)列，以去除未反應的(de)殘留物和(he)副產(chan)物。
擎科生物子公司迪納興科，專注于DNA和RNA修飾單體的研發和生產，合成原材料年產量達200噸。自主研發了包括修飾單體＆CPG、DNA合成試劑、條狀分子篩、合成柱在內的一系列合成產品，已成為國內DNA合成試劑的主要供應商之一，為擎科生物實現"基因工廠"生產要素的自我聚集，提供了合成原料的支撐。擎科生物依(yi)托高品(pin)質的合(he)(he)成原料進行寡核苷酸(suan)合(he)(he)成，進而提供高品(pin)質基因(yin)合(he)(he)成服務，最終推動抗體藥物研發(fa)、生物育種等應用領域的發(fa)展。同時，這些合(he)(he)成原料也(ye)能滿足核酸(suan)藥物開發(fa)更高質量要求(qiu)的需求(qiu)。
02 合成儀
合(he)成儀(yi)作(zuo)為基(ji)因工(gong)廠的(de)(de)"心(xin)臟"，是DNA和(he)RNA合(he)成的(de)(de)底層核心(xin)裝(zhuang)備，其(qi)通量、載量、長度和(he)效率等關鍵參數決定(ding)了(le)合(he)成的(de)(de)成本和(he)質(zhi)量。它(ta)不(bu)僅需(xu)(xu)要高度自動化(hua)和(he)精密控制，還需(xu)(xu)具備處理復雜序列的(de)(de)能(neng)力，以確保每一個堿(jian)基(ji)的(de)(de)準確插入。現代合(he)成儀(yi)顯著提高了(le)合(he)成效率和(he)準確性，減少了(le)人工(gong)操作(zuo)的(de)(de)誤差，能(neng)夠同(tong)時合(he)成多個不(bu)同(tong)的(de)(de)DNA序列，滿足(zu)大規模(mo)生產需(xu)(xu)求。高性能(neng)的(de)(de)合(he)成儀(yi)能(neng)減少錯誤率，提高合(he)成速度和(he)產量。
基于擎科生(sheng)物多年的合(he)成(cheng)(cheng)領(ling)域(yu)研究經驗以及(ji)原始數(shu)據累積分析(xi)，擁(yong)有高質量(liang)、高載量(liang)、高通量(liang)3個技術平臺(tai)，在(zai)2014年成(cheng)(cheng)功研制出(chu)單(dan)(dan)鏈(lian)(lian)核(he)(he)酸(suan)合(he)成(cheng)(cheng)儀(yi)(yi)-192B，并在(zai)隨后的幾年開發出(chu)可應用于不同領(ling)域(yu)具(ju)備差異化(hua)功能(neng)的產品系列：單(dan)(dan)鏈(lian)(lian)核(he)(he)酸(suan)合(he)成(cheng)(cheng)儀(yi)(yi)-12P、單(dan)(dan)鏈(lian)(lian)核(he)(he)酸(suan)合(he)成(cheng)(cheng)儀(yi)(yi)-24P、單(dan)(dan)鏈(lian)(lian)核(he)(he)酸(suan)合(he)成(cheng)(cheng)儀(yi)(yi)-192P/B、單(dan)(dan)鏈(lian)(lian)核(he)(he)酸(suan)合(he)成(cheng)(cheng)儀(yi)(yi)-768B，并在(zai)2023年4月(yue)發布擎核(he)(he)TsiKer?高載量(liang)合(he)成(cheng)(cheng)儀(yi)(yi)。
擎科生物(wu)憑借(jie)自(zi)主研發的合(he)成原(yuan)材料和先進(jin)的合(he)成設備，突破了(le)基因(yin)(yin)合(he)成領域的技術壁(bi)壘，建立了(le)全自(zi)主產業鏈的"基因(yin)(yin)工廠"。未來，擎科生物(wu)也(ye)將繼(ji)續創新和拓展，推動科技進(jin)步和產業升級。
[1] Sharp, P. M., & Li, W. H. (1987). "The Codon Adaptation Index—a measure of directional synonymous codon usage bias, and its potential applications." Nucleic Acids Research, 15(3), 1281-1295.
[2] Gustafsson, C., Govindarajan, S., & Minshull, J. (2004). "Codon bias and heterologous protein expression." Trends in Biotechnology, 22(7), 346-353.
