DNA合成技术，是合成生物学的关键使能技术之一，为合成生物学基础研究和应用领域提供了原料基础。通过精确合成特定序列的DNA，研究者能够改造和构建基因、基因组甚至整个生命体。
目前，化学合成技术仍然是DNA合成的主流技术，被广泛应用于柱式及芯片合成仪的核苷酸活化与偶联、反应条件控制、产物分离与纯化等过程，在商业化上已经十分成熟。然而，它在DNA合成长度及合成成本方面存在难以逾越的极限，难以满足合成生物领域日益增长的对于长片段DNA的需求。此外，化学合成技术在分离、纯化环节会产生大量的杂质和废液，这些杂质废液中可能包含未反应完全的化学试剂、副产物以及高浓度的有机溶剂、重金属离子等污染物，对环境造成了一定负担。如今，DNA合成行业正在趋向于更高效环保的创新解决方案。
在此背景下，酶促DNA合成技术在众多解决方案中脱颖而出。它是一种利用酶的催化作用来合成DNA分子的生物技术。与传统的化学合成技术相比，酶促DNA合成技术在合成长度、效率、成本等多个方面具有显著优势，被认为是能够引领DNA合成技术变革的下一代技术。
成立于2013年、总部位于美国圣地亚哥的Molecular Assemblies（下称“Molecular”）是一家开发酶促DNA合成技术的创新企业。Molecular致力于开发新型酶促DNA合成技术。
经过近10年的研发，Molecular开发了一项全酶合成（Fully Enzymatic SynthesisTM，FESTM）技术。FESTM是一种两步酶促DNA合成工艺，通过使用水溶性无毒试剂，以及最小化合成后纯化和处理等步骤，可以按需提供高纯度、序列特定的DNA。值得一提的是，FESTM无需使用模板，即可扩展至更长的DNA序列。
Molecular由两位DNA测序行业专家——J.William Efcavitch和Curt Becker共同创立。在联合创立Molecular之前，他们都曾在DNA合成、测序先锋企业——Applied Biosystems, Inc.（下称“ABI”）担任重要职务，并共同推动了亚磷酰胺合成法的商业化过程。
ABI是赛默飞世尔旗下的著名品牌，其研发的ABI Prism 3700毛细管测序仪被誉为全球第一台真正全自动测序仪。2008年，ABI与Invitrogen完成合并成立了Life Technologies公司。合并后的Life Technologies推出了Ion PGM测序仪，该测序仪被称为世界上第一台半导体个人基因组测序仪（personal genome machine, PGM）。2014年，这家公司被赛默飞世尔收购，其强大的分子诊断平台和技术成为了赛默飞世尔诊断产品线的重要支柱。
1983年，J.William Efcavitch是ABI的第九名员工。在ABI工作期间，J.William Efcavitch组建了技术研发小组，并领导推出了 380A DNA 合成仪，进⼀步推动了亚磷酰胺寡核苷酸合成法的商业化。此外，他还推动了许多生物技术仪器和试剂系统的开发，例如AB 1700表达阵列系统、3900型DNA合成器、ABI Prism 377和3700型测序仪、ABI 310型DNA分析仪和230A型微量制备电泳系统等等。
经过近30年的发展后，J.William Efcavitch和Curt Becker注意到，合成生物学、精准医疗等许多行业以及数据信息存储、纳米机器和生物电子等新兴应用，对长、高保真、序列特定的DNA的需求快速增加，并且增长速度快于DNA合成的速度。与此同时，传统化学DNA合成法面临着累计错误高、耗时且不可扩展、合成后纯化分离步骤繁多等问题。
在此背景下，J.William Efcavitch和Curt Becker希望开发出全新的DNA合成技术，以生产高纯度、序列特定、可扩展的DNA。于是，Molecular因此诞生。
Molecular成立后，吸引了DNA合成、测序以及生物医药领域的人才加入。董事会主席兼代理CEO Larry G Stambaugh具有40余年企业管理经验，曾担任多家上市公司和私营公司的CEO、董事会成员和董事会主席。首席技术官Phil Paik博士拥有超16年的技术创新和平台开发经验，曾担任Illumina工程副总监，负责仪器和集成式盒式平台的流体系统架构和开发工作。
凭借团队优势和技术积累，Molecular目前完成了9轮共8720万美元（约合6.3亿元人民币）的融资，投资者数量达17个。
Molecular融资历程 图源：动脉网
酶促DNA合成技术是指在不借助DNA模板的情况下，通过酶的催化作用实现DNA分子的从头合成。该技术的实现离不开一个关键原料——实现酶促反应的末端脱氧核苷酸转移酶（Terminal transferase，TdT）。
TdT是一种不依赖模板的单链DNA聚合酶，具有无模板依赖的快速聚合活性，整个催化过程中无需经过变性、复性和延伸反应，即可实现长链DNA合成。重要的是，TdT对底物的选择性较低，同时对所有dNTP均有较快的催化反应速率，任意的dNTP、核糖核苷三磷酸（rNTP）、修饰的核苷三磷酸类似物都可作为其底物。
不过，天然的TdT只能在DNA链末端随机添加新的dNTP，无法对链合成的过程进行精确控制，难以满足人工DNA合成的实际需求。因此，研究者们正在通过构建反体系等方式，实现TdT对DNA的精确合成。
Molecular正是突破天然TdT局限的创新企业之一。2020年，Molecular选择与合成生物学老牌企业Codexis达成合作开发高效的TdT，以推进其FES™技术的开发。
2022年4月，Molecular和Codexis宣布，已成功开发出专有的、高度进化的TdT聚合酶。与天然存在的TdT相比，该TdT聚合酶能够在水溶液中合成更长的DNA序列，并且错误更少。Codexis总裁兼CEO John Nicols在新闻稿中表示，该TdT聚合酶在高温下具有前所未有的耦合效率和速度。
目前，固相亚磷酰胺三酯法是较常用的化学合成方法。该化学合成方法至少需要4—5个反应步骤，且每个步骤可能都会有错误。尽管目前该技术的单步合成反应效率已高达99.6%，但将添加每个新碱基的错误概率都考虑进来时，其效率和产率会随之降低。
当DNA合成长度达到200bp时，产率可能降至约35%。这意味着，随着合成长度的增加，“失败”产品的总百分比也会增加，这也导致化学合成法通常仅限于产生长度约为200bp的DNA序列。如要合成kb级长度的寡核苷酸，单步合成效率须达99.9%以上，才能获得同样的产率。同时，要实现工业化合成，还需兼顾合成速度的提升。
针对以上问题，Molecular的FES™技术在合成长度、纯度、步骤等都做了优化改进。根据Molecular官网介绍，与其他DNA合成技术相比，FES™技术具有以下优势：
在合成长度方面，FES™能够快速合成超长寡核苷酸。数据显示，FES™能够合成长达400nt的单链寡核苷酸。
在合成纯度方面，FES™以大于99.9%的循环效率运行，无论长度或序列复杂性如何，FES™均可生成高纯度的DNA，并且无需再进行合成后纯化步骤。
在交付时间方面，FES™将合成和纯化步骤合一，在合成过程中能够选择性地去除未完成合成的寡核苷酸，从而缩短产品交付时间。数据显示，Molecular能够在一周内快速生产出客户所需的DNA合成产品。
在环境影响方面，FES™的DNA合成生产过程中均在中性PH环境中进行，整个催化合成过程绿色环保，不产生强酸和强碱等有害物质。
目前，Molecular可为各种CRISPR编辑类型，包括HDR敲入、引物和碱基编辑等设计供体模板DNA或长指南，并且能够编码抗体、调节元件或其他蛋白质可变区的长而复杂的寡核苷酸。除此之外，Molecular还将推出基因组组装服务。
2022年下半年，Molecular启动了一项“关键客户”计划，为特定的研究人员提供FES™合成的定制长单链定制寡核苷酸。该计划有望加速客户在CRISPR基因编辑以及其他需要长寡核苷酸的研究。与此同时，客户还将提供使用反馈，以促进FES™的优化和改进。
2023年3月14日，Molecular宣布开始向第一批客户发送由FES™合成的寡核苷酸产品。短短2个月内，Molecular已成功向6位客户交付产品。
在“关键客户”计划的反馈基础上，Molecular再次启动了一项新的计划，以为更多客户提供差异化且具有成本效益的DNA合成解决方案。2024年5月7日，Molecular宣布启动一项“合作伙伴”计划，授权许可其FES™技术用于特定场合的DNA合成。通过该项技术，Molecular旨在利用FES™加速更长、更纯、更准确的DNA生产，从而为迅速崛起的新一代治疗和诊断技术提供发展动力。
Molecular表示，模块化FES™可安装到高容量实验室中，并且能够合成皮摩尔或飞摩尔级的长且准确的寡核苷酸，以满足各种应用需求。根据“合作伙伴”计划协议，少数特定成员将获得Molecular的自动化合成平台、所有专有试剂和酶、对FES™的任何增强或改进，以及在其设施中出于研究目的使用FES™所需的必要许可证。
除Molecular之外，仍有多家企业投身酶促DNA合成技术赛道，如Ansa Biotechnologies、DNA Script、Evonetix以及Touchlight Genetics等，其中不断有企业取得突破性进展。
2020年6月，DNA Script推出了世界上首台采用酶促技术的台式DNA打印机——Syntax。据其介绍，该款DNA打印机可按需生产合成DNA的寡核苷酸，其合成寡核苷酸的速度很快，合成96个寡核苷酸仅需6—13个小时。
2023年3月，Ansa Biotechnologies宣布成功从头合成 1005个碱基的DNA序列。值得注意的是，这1005个碱基序列编码了用于基因治疗开发的AAV载体的关键部分，并包含强的二级结构和高GC含量等复杂的特征。一个月后，Ansa Biotechnologies启动了克隆合成基因早期获取计划，以帮助研究人员获得难以合成的DNA序列。
国内关于酶促DNA合成技术的研究亦取得重大突破。例如，2022年2月，中国科学院天津工业生物技术研究所江会锋研究员带领的新酶设计团队，筛选到高效催化活性的鸟类TdT并对其进行改造获得了新的TdT突变体。基于此，团队创建了两步循环酶促DNA合成技术，将DNA合成的平均准确率提高至98.7%。
另外，生命科技企业中合基因科技有限公司（下称“中合基因”）也在该领域有重要进展。中合基因成立于2022年，是以第三代生物酶促基因合成技术为核心，专注开展相关装备开发、生产、销售的企业。2024年2月，中合基因宣布完成数千万元Pre-A轮融资，募集资金将用于加速DNA生物合成仪及相关装备的迭代升级及市场拓展，并预计在2024年推出探针合成仪及基因合成仪的商业化机型。
合成生物学的核心在于对生物组件的精确控制和编程，从而创造出能够执行特定任务的生物实体。正因如此，DNA合成技术、基因编辑技术等使能技术的进步成熟是合成生物向前发展的关键。未来，随着酶促DNA合成等技术的不断更新发展，或将能够合成更长片段的DNA，以更好地服务大规模、高通量DNA合成的应用前景，最终推动合成生物学的发展。
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