基因工厂云探秘系列1--合成原料与合成仪
北京2024年9月10日 /美通社/ -- 合成科学融合了合成化学与合成生物学，在科技革命和产业变革中扮演着关键角色。它不仅促进了新材料和药物的开发，还在解决疾病治疗、粮食安全和环境保护等全球性挑战中发挥了重要作用。2023年5月发布的《中国合成科学2035发展战略》体现了国家对这一领域的高度重视。随着技术在医药、农业和材料科学等领域的应用不断扩大，市场需求也在持续增长。合成科学正成为推动科技创新和产业发展的强大引擎，基因合成被誉为"生命编程"的核心技术，是推动合成科学的核心驱动力，既促进了基础研究，也为药物开发、基因治疗和个性化医疗提供了强大支持。
擎科生物突破技术壁垒形成基因合成自主全产业链的基因工厂，并向下游多个应用领域拓展，以此推动生物技术和生物经济发展。
基因工厂是以基因合成要素中的合成原料、合成设备及合成工艺进行自动化自我聚集，搭建出合成要素的生产平台，实现稳定、高效、自主研发、自动化的基因合成智能生产系统。
基因工厂生产的基因合成产品类型从300 bp到5 kb甚至更长，广泛应用于各个领域，从科学研究到工业生产。例如，Oligo合成在分子生物学研究、分子诊断、基因编辑和核酸药物等多个领域中具有广泛应用，不仅为科学研究和技术创新提供了关键工具，还为拓展疾病治疗方法开辟了新途径。基因合成的应用涵盖核酸、氨基酸和蛋白质等多个领域，在基础科研中发挥着关键作用，同时也广泛应用于核酸疫苗、基因细胞疗法等领域。而基因组合成和最简基因组合成的应用，则包括生物育种、菌种改造以及代谢改造等领域的应用，将对未来食品和材料领域产生积极影响。
为揭开基因工厂的神秘面纱，擎科生物推出"云探秘基因工厂"系列文章，带领大家深入了解。
基因合成的起点是寡核苷酸合成，寡核苷酸合成为基因合成提供了至关重要的原材料。在这个过程中，合成原料是寡核苷酸合成的基础，正如俗话所说："巧妇难为无米之炊"，合成原料的质量直接决定了最终产品的准确性和可靠性。同时，合成仪作为核心装备，其通量、载量、长度和效率也显著影响合成的成本和质量。因此，我们首先聚焦于"基因工厂"的核心基础——合成原料和合成仪。
01 合成原料
- 化学合成固相亚磷酸三酯法
尽管酶促合成法近年来有了显著的发展，亚磷酰胺三酯化学合成法仍然是寡核苷酸合成的主流技术。寡核苷酸的化学合成始于20世纪40年代末，1987年美国Marvin H.Caruthers 教授研发出DNA单链合成的固相亚磷酰胺法（Phosphoramidite Synthesis，SPS），并通过固相技术和自动化合成仪，使得寡核苷酸合成效率大幅增加。
合成原料包括核苷亚磷酰胺单体（如腺苷、胞苷、鸟苷、胸苷）、脱保护和偶联试剂、固相载体、保护基团、洗脱和纯化试剂、溶剂及缓冲液，以及反应催化剂，这些原料和试剂共同保证了合成过程的效率和最终产品的质量。
磷酰胺三酯合成法由脱保护、偶联、加帽和氧化四步化学反应组成循环，在每个循环中，（1）脱保护，通过酸处理去除新引入的核苷酸5'-羟基上的DMT保护基团，使其暴露出来，为下一个核苷酸的连接做好准备；（2）偶联，使用活化的磷酰胺三酯核苷酸与已固定在固相载体上的核苷酸链进行化学偶联，形成磷酸二酯键，将新的核苷酸添加到链的3'端；（3）加帽，未偶联的5'-羟基会被加帽以防止它们在后续循环中反应，确保只有偶联成功的链继续延长；（4）氧化，最后通过氧化剂将不稳定的三价磷原子氧化为更稳定的五价磷，从而使链上的磷酸二酯键得到巩固。以此循环，直到完成指定寡核苷酸序列的合成。
- 合成后处理
合成完成后，寡核苷酸链仍固定在固相载体上，需使用裂解液打断固相载体与寡核苷酸之间的连接，将合成好的寡核苷酸从固相载体上氨解切割下来，并去除寡核苷酸上的各种保护基团，包括碱基上的保护基和糖基2'位的TBDMS基团，最后通过高效液相色谱（HPLC）或其他纯化方法，分离并纯化目标寡核苷酸序列，以去除未反应的残留物和副产物。
擎科生物子公司迪纳兴科，专注于DNA和RNA修饰单体的研发和生产，合成原材料年产量达200吨。自主研发了包括修饰单体＆CPG、DNA合成试剂、条状分子筛、合成柱在内的一系列合成产品，已成为国内DNA合成试剂的主要供应商之一，为擎科生物实现"基因工厂"生产要素的自我聚集，提供了合成原料的支撑。擎科生物依托高品质的合成原料进行寡核苷酸合成，进而提供高品质基因合成服务，最终推动抗体药物研发、生物育种等应用领域的发展。同时，这些合成原料也能满足核酸药物开发更高质量要求的需求。
- 自主研发合成试剂
含水量低：完全能够能达到ppm级别；
纯度高：完全能够替代同类进口产品，确保合成的高效率；
包装灵活：根据客户需求提供100 mL~200 L的不同包装。
- 自主研发合成单体/修饰单体/CPG
含水量低、纯度高；
产品种类丰富、应用广泛；
可定制化合成。
- 自主研发合成耗材
oligo纯度高，突变率低；
降低整体合成成本；
合成柱容量大，可装载更多试剂。
02 合成仪
合成仪作为基因工厂的"心脏"，是DNA和RNA合成的底层核心装备，其通量、载量、长度和效率等关键参数决定了合成的成本和质量。它不仅需要高度自动化和精密控制，还需具备处理复杂序列的能力，以确保每一个碱基的准确插入。现代合成仪显著提高了合成效率和准确性，减少了人工操作的误差，能够同时合成多个不同的DNA序列，满足大规模生产需求。高性能的合成仪能减少错误率，提高合成速度和产量。
基于擎科生物多年的合成领域研究经验以及原始数据累积分析，拥有高质量、高载量、高通量3个技术平台，在2014年成功研制出单链核酸合成仪-192B，并在随后的几年开发出可应用于不同领域具备差异化功能的产品系列：单链核酸合成仪-12P、单链核酸合成仪-24P、单链核酸合成仪-192P/B、单链核酸合成仪-768B，并在2023年4月发布擎核TsiKer®高载量合成仪。
擎科生物凭借自主研发的合成原材料和先进的合成设备，突破了基因合成领域的技术壁垒，建立了自主全产业链的"基因工厂"。未来，擎科生物也将继续创新和拓展，推动科技进步和产业升级。