作为合成生物的关键使能技术之一,DNA合成技术为合成生物学基础研究和应用领域提供了原料基础。随着DNA合成技术的不断进步与创新,合成更长、更复杂的DNA序列成为可能,为构建复杂的基因回路、合成新型生物分子以及改造生物体的基因组提供了更多的可能性。
2023年5月10日,合成生物学企业Evonetix再次推动了DNA合成技术的创新,创造了DNA合成的新范式。当日,Evonetix宣布,通过使用专有的DNA合成平台,其向达剑桥大学化学工程与生物技术系Jenny Molloy博士实验室提供了首批芯片合成DNA,并且该批合成DNA产品测试成功。这一里程碑进展表明,Evonetix的DNA合成平台可以使用其热控半导体芯片技术成功合成DNA,并将使其能够开始大规模、准确合成长DNA序列。
Evonetix成立于2015年,旨在将半导体技术引入DNA合成,开发一种快速合成“芯片上的DNA”技术,以大规模生成准确、高保真的DNA。2023年2月7日,Evonetix宣布完成最新一轮2000万英镑(约合2668万美元)的融资。至此,该公司总共完成了4轮超7000万美元(约合4.9亿元人民币)的融资。
数据来源crunchbase官网,动脉网制图
结合半导体技术与热控制技术,通过精确温控在芯片上实现DNA合成
目前,化学合成技术与酶促DNA合成技术等是常见的DNA合成技术。然而,化学合成技术在DNA合成长度、合成成本、环境保护等方面仍存在难以逾越的局限性。如今,DNA合成行业正在趋向于更加高效环保的创新解决方案。为此,酶促DNA合成技术,基于芯片的喷墨法、光化学法和电化学法等受到越来越多的关注和研究。
其中,酶促DNA合成技术是一种利用DNA聚合酶的催化作用合成DNA链的生物技术。该技术的应用需要精确控制反应条件,如温度、pH值、离子强度等,以确保酶的活性和稳定性。此外,目前典型的酶促DNA合成方法依赖于更传统的平台,例如柱式合成仪等。这意味着,该技术难以大幅增加并行制备的DNA序列数量。在合成大量不同、长的序列时,其合成效率和质量将受到相应限制。
对此,Evonetix开发了一种基于半导体技术的新型DNA合成技术,并基于该技术打造了新一代实验室台式DNA合成平台。该平台能够与酶促DNA合成技术兼容,有望快速合成超长长度、序列复杂的DNA序列。
Evonetix开发的DNA合成技术以定制的MEMS(微机电系统)硅芯片为基础,利用热控制技术调节合成过程中的关键化学步骤。通过精确控制单个芯片表面上数千个反应位点的温度进而控制DNA的正确合成,最终能够实现DNA序列的大规模合成。
具体来说,Evonetix将CMOS(互补金属氧化物半导体)技术与MEMS硅芯片结合,进而创造了一个以精确、独立控制半导体MEMS硅芯片为基础的微流控热阵列芯片载体。单个芯片的表面具有数千个独立的热控反应位点,该合成方式即通过控制反应位点温度进而控制DNA的正确合成。据Evonetix官网,这些反应位点可同时平行合成DNA序列,满足复杂文库和长链 DNA 的组装需求,从而解决合成生物学领域的 DNA 供应瓶颈。
值得注意的是,该芯片能够快速平行合成DNA序列的关键在于对每个反应位点的温度控制。为此,Evonetix开发了一种新型的闭环热控制系统。通过热控制技术,Evonetix可以精确且独立地控制每个反应位点处流体体积的温度,还可通过热控制来开启、加速、减缓芯片上各个位置的反应。
凭借定制的硅芯片,Evonetix能够实现长DNA序列的合成。而该DNA合成过程是一个“二元组装”过程。首先,在合成过程中,通过调控每个反应位点的温度,能够选择性地对不断增长的DNA 链进行脱保护,以为DNA序列添加新碱基做准备。其中,新添加的碱基将只与脱保护的寡核苷酸结合。此外,由于依次引入每个含有四种碱基(A、C、G、T)的试剂,利用热脱保护的时间在每个反应位点合成不同的序列。
此后,合成的寡核苷酸将会被单独释放,从该反应位点传输到下一个反应位点。该寡核苷酸将在下一个反应位点被电场捕获,并与互补链完成组合,最终组装为特定长DNA序列。在此之后,反应位点的温度将会被加热到一个精确的、与序列相关的温度,从而能够将包含误差的序列与具有正确同源性的序列区分开来,并熔解其中不完全匹配的寡核苷酸。通过消除组装过程中的合成错误,能够有效防止最终合成产品的错误序列比例,进一步确保最终合成DNA序列的准确性。
目前,常用的DNA合成技术难以针对序列组装和纠错过程进行优化,其DNA合成的质量多是在合成和纯化后才进行检查。Evonetix开发的专有硅芯片合成技术,能够在数千个独立的热控制反应位点上平行完成DNA的合成。同时,Evonetix通过优化反应条件和引入先进的纠错机制,进一步确保了DNA合成的质量和准确性。
启动合成DNA早期访问计划,加速推进芯片DNA合成技术商业化
为了进一步推进自身基于半导体技术的芯片DNA合成技术的商业化,并基于此开发新一代台式DNA合成平台,Evonetix需要能够提供生物传感器解决方案、MEMS处理和半导体精密加工专业服务的合作伙伴。
为此,自2019年1月开始,Evonetix便开始与全球领先的跨国半导体公司Analog Devices, Inc.(简称ADI)及其创新中心Analog Garage合作,共同推进Evonetix首款台式DNA合成平台的开发与商业化进程。
2023年12月,Evonetix与ADI再次签署了联合开发和商业供应DNA合成平台的协议。根据协议内容,ADI将继续投资开发Evonetix 基于半导体的Evaleo®系列DNA合成设备,帮助其持续优化硅芯片技术设计,以打造技术的新基准,最终将 DNA合成和组装的热控制技术提升到一个新的水平。
在新闻稿中,Evonetix也表示,公司正在与ADI开发一个基于半导体芯片技术的DNA合成平台。通过该平台,有望在3天内合成高保真的长DNA序列。在此基础上,能够将抗体、疫苗和蛋白质工程的设计-构建-测试的周期从数月缩短至数天。
此外,为了进一步验证其半导体芯片DNA合成技术,Evonetix于2022年启动了半导体芯片合成DNA早期访问计划。研究人员可申请加入该公司的早期试用计划,获得使用其技术制备的第一批合成DNA产品。
值得一提的是,2023年10月5日,Evonetix宣布首次在伦敦帝国学院(ICL)安装DNA合成开发平台,用于评估人类疾病和感染研究。这是Evonetix首次在外部科研机构安装该平台,供客户使用和商业化。此前,Evonetix公司的芯片合成DNA已成功交付剑桥大学进行评估和测试,进一步证明了其合成效率,为公司的发展提供了支持。
国内外企业争相布局,加速推进酶促DNA合成技术商业化
酶促DNA合成技术是一种利用酶的催化作用来合成DNA分子的生物技术。该技术主要依赖于DNA聚合酶等一系列酶的催化作用合成DNA。这使得反应条件相对温和,且酶的特异性高,能够精确控制DNA的合成过程,并且酶促反应通常具有较高的催化效率,能够在较短时间内合成大量的DNA分子。
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。
目前,除Evonetix外,还有许多国内外企业与科研团队等投身酶促DNA合成技术这一赛道,不断推动该技术的突破与应用拓展。
图源:公开信息整理,动脉网制图(排名不分先后,数据为不完全统计)
由此来看,酶促DNA合成技术已逐渐从实验室走向更广泛的应用场景,为合成生物领域的科学研究提供了更为高效、精准的DNA合成工具,随即推动了合成生物学以及相关产业的变革发展。然而,目前酶促DNA合成技术产业发展仍处于技术验证和探索阶段,全球范围内还未实现大规模商业化应用。
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,随着技术的不断进步和应用场景的持续拓展,研究人员将继续优化酶促反应条件、提高酶的催化效率和特异性、降低合成成本,以推动该技术的进一步成熟和完善。最终,酶促DNA合成技术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。