基因工廠云探秘系列1--合成原料與合成儀

2024-09-10 16:47 4626

北京2024年9月10日 /美通社/ -- 合成科學(xué)融合了合成化學(xué)與合成生物學(xué)，在科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中扮演著關(guān)鍵角色。它不僅促進(jìn)了新材料和藥物的開發(fā)，還在解決疾病治療、糧食安全和環(huán)境保護(hù)等全球性挑戰(zhàn)中發(fā)揮了重要作用。2023年5月發(fā)布的《中國合成科學(xué)2035發(fā)展戰(zhàn)略》體現(xiàn)了國家對這一領(lǐng)域的高度重視。隨著技術(shù)在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和材料科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，市場需求也在持續(xù)增長。合成科學(xué)正成為推動科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大引擎，基因合成被譽(yù)為"生命編程"的核心技術(shù)，是推動合成科學(xué)的核心驅(qū)動力，既促進(jìn)了基礎(chǔ)研究，也為藥物開發(fā)、基因治療和個(gè)性化醫(yī)療提供了強(qiáng)大支持。

擎科生物突破技術(shù)壁壘形成基因合成自主全產(chǎn)業(yè)鏈的基因工廠，并向下游多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域拓展，以此推動生物技術(shù)和生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

基因工廠是以基因合成要素中的合成原料、合成設(shè)備及合成工藝進(jìn)行自動化自我聚集，搭建出合成要素的生產(chǎn)平臺，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效、自主研發(fā)、自動化的基因合成智能生產(chǎn)系統(tǒng)。

基因工廠生產(chǎn)的基因合成產(chǎn)品類型從300 bp到5 kb甚至更長，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，從科學(xué)研究到工業(yè)生產(chǎn)。例如，Oligo合成在分子生物學(xué)研究、分子診斷、基因編輯和核酸藥物等多個(gè)領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用，不僅為科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新提供了關(guān)鍵工具，還為拓展疾病治療方法開辟了新途徑。基因合成的應(yīng)用涵蓋核酸、氨基酸和蛋白質(zhì)等多個(gè)領(lǐng)域，在基礎(chǔ)科研中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，同時(shí)也廣泛應(yīng)用于核酸疫苗、基因細(xì)胞療法等領(lǐng)域。而基因組合成和最簡基因組合成的應(yīng)用，則包括生物育種、菌種改造以及代謝改造等領(lǐng)域的應(yīng)用，將對未來食品和材料領(lǐng)域產(chǎn)生積極影響。

為揭開基因工廠的神秘面紗，擎科生物推出"云探秘基因工廠"系列文章，帶領(lǐng)大家深入了解。

基因合成的起點(diǎn)是寡核苷酸合成，寡核苷酸合成為基因合成提供了至關(guān)重要的原材料。在這個(gè)過程中，合成原料是寡核苷酸合成的基礎(chǔ)，正如俗話所說："巧婦難為無米之炊"，合成原料的質(zhì)量直接決定了最終產(chǎn)品的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，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(zhì)量。因此，我們首先聚焦于"基因工廠"的核心基礎(chǔ)——合成原料和合成儀。

01 合成原料

化學(xué)合成固相亞磷酸三酯法

盡管酶促合成法近年來有了顯著的發(fā)展，亞磷酰胺三酯化學(xué)合成法仍然是寡核苷酸合成的主流技術(shù)。寡核苷酸的化學(xué)合成始于20世紀(jì)40年代末，1987年美國Marvin H.Caruthers 教授研發(fā)出DNA單鏈合成的固相亞磷酰胺法（Phosphoramidite Synthesis，SPS），并通過固相技術(shù)和自動化合成儀，使得寡核苷酸合成效率大幅增加。

合成原料包括核苷亞磷酰胺單體（如腺苷、胞苷、鳥苷、胸苷）、脫保護(hù)和偶聯(lián)試劑、固相載體、保護(hù)基團(tuán)、洗脫和純化試劑、溶劑及緩沖液，以及反應(yīng)催化劑，這些原料和試劑共同保證了合成過程的效率和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

磷酰胺三酯合成法由脫保護(hù)、偶聯(lián)、加帽和氧化四步化學(xué)反應(yīng)組成循環(huán)，在每個(gè)循環(huán)中，（1）脫保護(hù)，通過酸處理去除新引入的核苷酸5'-羥基上的DMT保護(hù)基團(tuán)，使其暴露出來，為下一個(gè)核苷酸的連接做好準(zhǔn)備；（2）偶聯(lián)，使用活化的磷酰胺三酯核苷酸與已固定在固相載體上的核苷酸鏈進(jìn)行化學(xué)偶聯(lián)，形成磷酸二酯鍵，將新的核苷酸添加到鏈的3'端；（3）加帽，未偶聯(lián)的5'-羥基會被加帽以防止它們在后續(xù)循環(huán)中反應(yīng)，確保只有偶聯(lián)成功的鏈繼續(xù)延長；（4）氧化，最后通過氧化劑將不穩(wěn)定的三價(jià)磷原子氧化為更穩(wěn)定的五價(jià)磷，從而使鏈上的磷酸二酯鍵得到鞏固。以此循環(huán)，直到完成指定寡核苷酸序列的合成。

合成后處理

合成完成后，寡核苷酸鏈仍固定在固相載體上，需使用裂解液打斷固相載體與寡核苷酸之間的連接，將合成好的寡核苷酸從固相載體上氨解切割下來，并去除寡核苷酸上的各種保護(hù)基團(tuán)，包括堿基上的保護(hù)基和糖基2'位的TBDMS基團(tuán)，最后通過高效液相色譜（HPLC）或其他純化方法，分離并純化目標(biāo)寡核苷酸序列，以去除未反應(yīng)的殘留物和副產(chǎn)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(fā)和生產(chǎn)，合成原材料年產(chǎn)量達(dá)200噸。自主研發(fā)了包括修飾單體＆CPG、DNA合成試劑、條狀分子篩、合成柱在內(nèi)的一系列合成產(chǎn)品，已成為國內(nèi)DNA合成試劑的主要供應(yīng)商之一，為擎科生物實(shí)現(xiàn)"基因工廠"生產(chǎn)要素的自我聚集，提供了合成原料的支撐。擎科生物依托高品質(zhì)的合成原料進(jìn)行寡核苷酸合成，進(jìn)而提供高品質(zhì)基因合成服務(wù)，最終推動抗體藥物研發(fā)、生物育種等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。同時(shí)，這些合成原料也能滿足核酸藥物開發(fā)更高質(zhì)量要求的需求。

自主研發(fā)合成試劑

含水量低：完全能夠能達(dá)到ppm級別；

純度高：完全能夠替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，確保合成的高效率；

包裝靈活：根據(jù)客戶需求提供100 mL~200 L的不同包裝。

自主研發(fā)合成單體/修飾單體/CPG

含水量低、純度高；

產(chǎn)品種類豐富、應(yīng)用廣泛；

可定制化合成。

自主研發(fā)合成耗材

oligo純度高，突變率低；

降低整體合成成本；

合成柱容量大，可裝載更多試劑。

02 合成儀

合成儀作為基因工廠的"心臟"，是DNA和RNA合成的底層核心裝備，其通量、載量、長度和效率等關(guān)鍵參數(shù)決定了合成的成本和質(zhì)量。它不僅需要高度自動化和精密控制，還需具備處理復(fù)雜序列的能力，以確保每一個(gè)堿基的準(zhǔn)確插入。現(xiàn)代合成儀顯著提高了合成效率和準(zhǔn)確性，減少了人工操作的誤差，能夠同時(shí)合成多個(gè)不同的DNA序列，滿足大規(guī)模生產(chǎn)需求。高性能的合成儀能減少錯(cuò)誤率，提高合成速度和產(chǎn)量。

基于擎科生物多年的合成領(lǐng)域研究經(jīng)驗(yàn)以及原始數(shù)據(jù)累積分析，擁有高質(zhì)量、高載量、高通量3個(gè)技術(shù)平臺，在2014年成功研制出單鏈核酸合成儀-192B，并在隨后的幾年開發(fā)出可應(yīng)用于不同領(lǐng)域具備差異化功能的產(chǎn)品系列：單鏈核酸合成儀-12P、單鏈核酸合成儀-24P、單鏈核酸合成儀-192P/B、單鏈核酸合成儀-768B，并在2023年4月發(fā)布擎核TsiKer^®高載量合成儀。