DNA是遺傳信息的主要載體，是生命奧秘的根本。而DNA合成則是人類探索生命奧秘過程中的必要工具。傳統的柱式DNA合成技術能夠適應一些小規模的科研場景。但如果深入到基因組層面，即使是最小的病毒基因組，也有幾十Kb的長度，常見模式微生物大腸桿菌

DNA是遺傳信息的主要載體，是生命奧秘的根本。而DNA合成則是人類探索生命奧秘過程中的必要工具。傳統的柱式DNA合成技術能夠適應一些小規模的科研場景。但如果深入到基因組層面，即使是最小的病毒基因組，也有幾十Kb的長度，常見模式微生物大腸桿菌的基因組更有約4.2Mb的大小。如果使用傳統的柱式DNA合成法來制備，這些最簡單的基因組的制備成本就動輒數百萬元。

應對于更復雜的DNA合成需求，高通量原位DNA合成技術逐漸進入人們的視野。DNA合成技術的高通量化正如電子計算機當年經歷的小型化過程。如果沒有光刻機和大規模集成電路制造技術，電子計算機可能今天仍然深藏于象牙塔中，無法在各領域發揮關鍵性作用。

那么，能夠推動生命奧秘探索的“高通量原位DNA合成技術”究竟是怎樣的呢？這一產業又將如何實現國產化？本文梳理了DNA合成技術的發展過程，并對產業的未來發展進行了預判。

DNA的生物合成和化學合成

生物體內的DNA合成是通過DNA聚合酶進行的，DNA聚合酶可以合成與模板鏈完全互補的DNA鏈。DNA生物合成的優點是速度快、條件溫和、錯誤率低，人們利用這個原理發展了PCR技術，可以快速廉價的得到DNA鏈。但DNA生物合成依賴模板鏈，只能從已有的生物基因組中獲取模板，合成互補的DNA鏈，卻無法在沒有模板的情況下，從頭合成全新的DNA鏈，因此不能滿足合成生物學和DNA存儲的需求。

化學合成法曾在很長一段時間中成為直接合成DNA的主要方法。DNA化學合成基于固相化學合成的原理。固相化學合成的思路最早應用于多肽合成，性能突出，后續也廣泛用于核苷酸和多糖的合成。發明人Merryfield因這一技術獲得了1984年諾貝爾獎。

DNA化學合成由多個反應循環組成，單個循環主要包括脫保護、偶聯、加帽、氧化四個步驟，循環地將合成載體上被保護的DNA鏈末端脫去保護，連接一個新的被保護的核苷酸單體，DNA鏈長加一。合成過程中多余的原料和雜質留在溶液中，而產物則保留在固相的載體上，因而不需要每步反應都進行純化，特別適合長鏈生物大分子的自動化合成。DNA化學合成不需要模板，可以按需合成DNA鏈，但由于有機合成反應并不完全，如每循環合成效率為99%，則合成長度為100的DNA鏈，最終產物的得率只有0.99^100，即36.6%，因此DNA化學合成得到的鏈長往往小于生物合成。

圖1：DNA固相化學合成（亞磷酰胺法）原理（圖片源自網絡）

利用DNA固相化學合成技術，可以在每個反應器上合成一條DNA，但由于化學合成的效率沒有生物合成那么高，得到的DNA鏈長度通常不能超過200堿基。目前業界基于固相合成原理的柱式DNA合成儀（圖2），通過柱式反應器進行DNA合成，借助工業自動化技術，可以同時控制192或者最多1536個反應器進行同時合成，即192或者最多1536條DNA鏈的合成通量。但限于反應器的尺寸，合成通量實際上已經達到了極限。如果僅用這個技術來進行大基因組合成，仍然如同步行環游世界一樣困難重重。因此，DNA固相化學合成與合成基因組之間巨大的技術鴻溝，還需要用巧妙的方法來填平。

高通量的“控制開關”

半導體行業中曾經遇到過類似的瓶頸。1938年人們發明了晶體管，并在1950年前后掌握了PN結的工作原理。一個晶體管就如同一條化學合成的DNA短鏈，不能發揮很大的作用，而利用光刻機、掩模板和光刻膠，人們可以在硅片的不同區域刻畫出不同的圖形，使得一些區域被暴露參加化學反應，另一些區域被光刻膠等保護起來不參加化學反應，通過這樣的高通量“控制開關”，就可以在硅片的不同區域分別加工出微小的PN結、導線、電阻、電容等，最終制造出功能強大的CPU等芯片。信息產業摩爾定律式的飛速發展，證明了高密度集成芯片能極大降低電路成本和極大提高集成度。光刻機和芯片對信息產業的發展起到了飛躍性的提升效果。

因此，基于同樣的思路，只要把大量的DNA化學合成位點集中在一個表面上，再設計合適的開關機制，自動控制表面上成千上萬個合成位點的打開和關閉，使得反應按需地在特定區域進行，就可以制造出真正意義上的高通量DNA合成芯片。高通量DNA合成芯片在芯片大小的表面上可以同時進行數以萬計甚至更多的DNA合成，合成成本比常規合成降低了幾個數量級。盡管得到的每種DNA產物也比常規合成也降低了幾個數量級，但在獲得初始產物后，接下來就可以利用廉價高效的PCR技術對初始產物進行大量復制，大幅降低擴增成本。因此利用高通量DNA合成技術，實際可以把DNA從頭合成的成本降低幾個數量級。

而高通量DNA合成技術和裝備使得低成本的合成生物學、DNA存儲等變得可行，使得深刻認識、改造生物體成為可能。實際上，因為高通量DNA合成裝備的這一重要性，目前在市場上幾乎只能采購DNA合成服務，而高通量DNA合成設備卻無法購買。

高通量DNA合成的技術路線

高通量DNA合成儀器目前較為成熟的技術路線主要有三種：光化學法、電化學法、微液滴法。

光化學法是美國Affymetrix公司（現已被Thermo Fisher公司收購）最早應用，以光做為反應開關。利用多組光掩模遮擋紫外光，使得芯片不同局部在不同時間經光催化產酸，脫去DNA單體的保護基，從而連接上不同的DNA單體。但光催化反應效率稍差，難以獲得很長的DNA鏈，除固相雜交基因芯片外，目前應用較少。

電化學法是美國CustomArray公司（現已被Genscript金斯瑞公司收購）最早應用，以電流為反應開關。其芯片上集成了高密度的電極陣列，每個電極可以獨立控制，電極通電時可產酸，脫去DNA單體的保護基，連接DNA單體。該方法合成DNA質量優于光化學法，但合成時芯片全部浸泡在反應液中，局部產生的酸仍有可能因為擴散而影響相鄰區域，實際效率不如微液滴法。

微液滴法使用特殊設計的微液滴發生裝置在芯片上產生微小液滴，通過空間隔離方式來控制反應，目前美國Agilent公司和Twist公司通過定制的噴墨打印裝置實現了這一方法。每個反應位點可以按需在不同的時間點提供反應液的微液滴，故而每個反應位點之間都是物理隔離的，不存在交叉污染的可能性。因此這種高通量合成方法制備的DNA質量最好，目前應用最為廣泛。但是精確獨立控制大量微液滴內的合成反應，對芯片制造、微液滴、控制與反饋、軟件系統等都提出了很高的需求，其研發需要橫跨多個專業領域，技術壁壘也最高。

全球資本市場對于微液滴法高通量DNA合成設備表現出了很高的期待。2018年10月Twist上市時，發行價才只有每股14美元，在至今不到3年的時間內，Twist的股價最高曾到達過214.07美元的高峰，企業市值達到百億美元級別。國內也有多家NGS企業與Twist達成了合作，雖然這些合作分布于不同的具體場景中，但是達成這些合作的基礎，都在于Twist領先的高通量原位DNA合成技術。

目前，基于前述三種原理之外的高通量合成設備，市面上尚未出現，但在科研階段還有一些有意義的探索。有學者利用DNA連接酶實現了酶促的無模板DNA合成，其原理本質是將酶和核苷酸連接，構造出可以酶促DNA合成的特殊單體，可看作是固相合成的一種變形。該方法目前僅停留在實驗室水平，成本甚至遠高于傳統柱式合成，而柱式合成比高通量合成的成本高出幾個數量級，暫時看不到其應用于高通量合成的商業可行性。

另一種可能性是使用組合化學進行高通量DNA合成。其原理是每循環將DNA合成載體分成4份，分別放入4種亞磷酰胺單體中連接不同單體后，再把載體重新混合起來。根據排列組合，n個循環得到的產物共有4^n種。這種方法原理和控制簡單，但冗余的產物太多，絕大多數的產物是無用序列，需要配合一系列方法從中篩選少量有用產物。

高通量DNA合成設備的國產化進程

近年來，國內生命健康領域發展迅速。高通量測序在疾病篩查、農作物檢測、法醫鑒定等場景的應用已經普遍開展，并且呈現出向上的發展勢頭。可是，這些應用源頭的檢測試劑中使用的DNA探針，仍然基本依賴于國外進口，國內廠商僅能開發傳統柱式DNA合成儀，其由于前述的成本在數量級上劣勢，僅能應用于低端的DNA引物市場。

杭州原合生物是首家獨立掌握研發微液滴法高通量DNA合成儀器技術的國內廠商。創始人蔡萬世博士曾研發出探針雜交、多重PCR兩套獨立自主知識產權的基因捕獲技術，深刻體會高通量DNA合成技術對于基因行業的必要性；創始人鄭暉博士具備多學科綜合背景，曾成功研發包括固相化學合成微流控芯片和自動化合成儀在內的多種儀器，是國內為數不多具備高通量合成裝備相關經驗的專業人士之一。

研發團隊迎難而上，歷經數年艱苦攻關，突破了合成工藝、控制系統、芯片加工修飾等多重難題，采用微液滴方法在芯片上成功地原位合成DNA。目前首款合成芯片已經可以一次性合成6200條DNA，合成密度可以達到每平方毫米150條DNA以上，合成DNA長度>80nt，均一性好，單條DNA產量約0.5fmol，合成錯誤率小于1%。儀器性能已經可以初步滿足基因測序、基因合成等高通量DNA的主要應用場景。預計在年內，即可達到合成通量在10萬條以上，合成長度>150nt的技術水平，從而實現國產高通量DNA合成設備的技術突破。

國產高通量DNA合成設備的應用生態

國產高通量DNA合成設備能夠極大降低DNA的合成成本，有望提高國內生物產業的競爭力。目前國內的高通量DNA合成應用已經非常繁榮，相關領域的前景逐漸明朗。健全的應用生態將進一步促進這一技術裝備不斷迭代，縮小與最先進設備的差距。

一方面，高通量DNA合成正在推動現有技術升級。

高通量合成助力寡核苷酸池相關應用

寡核苷酸池（oligo pool）被廣泛用作各種探針庫。例如，遺傳病篩查服務中經常使用雜交探針捕獲興趣片段用以測序。為了達到整個人外顯子組的覆蓋，通常需要合成百萬條目的oligo探針。如此規模的探針庫，以高通量合成的方式來構建顯得十分合適。另外，針對某些興趣區域而特別訂制探針庫也將變得更為容易。這似乎為定制化的測序篩查服務提供了方便。

除此之外，寡核苷酸池也常用于各種功能篩選庫的構建，如靶向定制基因集的CRISPR gRNA文庫，用于功能篩選的基因突變體文庫，抗體庫等。隨著高通量合成的普及，這些手段或將成為驗證和發掘生物功能的“常規手段”。

以極低成本合成基因，助力合成生物學行業發展

由于化學合成正確率的限制，長鏈的基因通常是由小片段的寡核苷酸鏈拼接而成。高通量的oligo合成，間接帶來了合成大量基因甚至基因組的能力。因此，合成生物學（synthetic biology）相關領域無疑將收益頗深。

近年來，得益于DNA讀寫相關技術基礎的日益成熟，以及當前時代社會對新生產方式的期待，生命科學研究開始從被動解析向主動創造轉變。從格物致知到建物致知，同時知以致用，將基礎研究積累的基因功能知識與工程思想結合，通過構造生物系統的方式，解決醫藥、化工、食品、能源、材料、農業等領域中的實際生產問題。合成生物學被普遍認為是下一次生物技術浪潮的焦點，有望觸發未來徹底的產業變革。

目前，國外已有大量合成生物學相關公司相繼成立，并出現完整的產業鏈條。上游提供基因合成，中間平臺提供生物系統設計和構建方案，下游完成具體的產業應用。國內行業內也已經顯現出相似的趨勢。相信國產高通量合成技術的出現，也有利于合成生物學相關產業的振興。

另一方面，高通量DNA合成也在孕育新興應用場景。

除了現有技術的升級，DNA合成能力的飛躍有可能“破圈”，實現生物行業以外的應用。比如，DNA天然可以作為4進制的存儲介質（A/T/C/G)，并擁有信息密度高，存儲時間長等優勢。在數據量爆炸的世界，如果能進一步大幅壓縮每堿基的合成價格，DNA存儲也將不失為一種很好的信息存儲方式。

我國已經是一個制造大國，但要成為制造強國，還必需在一些尖端制造裝備技術上實現突破。高通量DNA合成裝備集合了科學儀器、化學制劑等領域多項關鍵核心技術，關系到生物行業一系列下游技術領域的發展，其重要性不言而喻。杭州原合生物預期在7月份舉行交流發布會，屆時將進一步介紹其研發DNA高通量合成裝備和數據。作為服務方，杭州原合生物將與廣大科研院校和生物產業的同仁一起，為構建自主自強的民族產業鏈不懈努力。

在7月份舉行交流發布會，屆時將進一步介紹其研發DNA高通量合成裝備和數據。作為服務方，杭州原合生物將與廣大科研院校和生物產業的同仁一起，為構建自主自強的民族產業鏈不懈努力。