DNA 合成技术的发展日新月异，大体可以分为化学法和生物法。前者的发展更为成熟且已实现商业化应用，后者理论效率更高却处于原始创新阶段。具有代表性的生物法是酶促合成技术，这是当前最新一代的 DNA 合成技术，也被视为 DNA 合成技术发展的前沿方向。
近日，国内 DNA 生物合成仪开发初创天津中合基因科技有限公司（简称“中合基因”）宣布完成数千万元天使轮融资，本轮融资由天津市海河产业引导基金的合成生物专项母基金—中科海河母基金和天津市高成长初创科技型企业专项基金领投。
据悉，本轮所筹资金将用于加速集成公司前期研发的 Oligo 生物合成仪和 Kb 级基因组装仪，开发一体化桌面式 Kb 级基因合成仪。
“作为国内首家以 DNA 生物合成设备研发及应用推广为核心的企业，我们将加快推进原创性技术研发应用，早日将桌面式 Kb 级基因合成仪推向广阔的生物研发和生产应用场景，助力生命科学的技术和产业升级。新一轮的融资，将使公司的发展迈上新的台阶。”逯晓云博士说。
▲图｜逯晓云博士（来源：受访者提供）
逯晓云是中合基因的联合创始人兼 CEO，2014 年加入中科院天津工业生物技术所江会锋研究团队，并以第一作者在 Nature Communications、ACS Catalysis 等期刊发表多篇论文。曾承担国家自然科学青年基金，参与国家重点研发计划、科技部颠覆性专项、中国科学院重点部署项目等重大项目。还申请了包含 DNA 生物合成在内的 20 余项国际国内专利，并入选“科创中国”青年创业榜单天津 U30。
她于 2022 年联合创办中合基因，据悉，该公司是国内首家以 DNA 生物合成仪研发及应用推广为核心的公司，以 DNA 生物合成技术为基础，计划成为合成生物学底层核心装备领域的开拓者。成立以来，获得了“2022 年度合成生物学创业大赛金奖”、“中国创新创业大赛天津赛区”一等奖，入围全国赛并获得“优秀企业奖”等荣誉。
“通过酶促 DNA 合成技术解决领域内的发展瓶颈”
DNA 合成技术是合成生物学产业发展的核心底层技术之一，基于生物法的 DNA 合成是中科院天工所的一个重点研究项目。2022 年，江会锋研究团队在酶促 DNA 合成研究上取得了重大突破。
公开资料显示，研究团队首次开发出鸟类来源的高效 TDT 酶，利用改造获得的合成酶创建了两步循环酶促 DNA 合成技术，平均准确率高达 98.7%，单步催化效率最高可达 99.4%。
（来源：ACS Catalysis）
研究团队指出，无论是化学法还是生物法，实现大规模基因组合成的关键突破点都在于提高 Oligo 合成的长度和效率以及降低合成成本。与化学法相比，酶促 DNA 合成通常只需要 2 个反应步骤即可实现，在合成准确率、长度及成本上更具潜力。
“DNA 合成的两个核心要点是合成长度和合成错误率，事实上 DNA 长链合成和纠错技术都是围绕酶的设计和改造为基础。我们在酶和蛋白的设计和改造方面经验丰富，基本涵盖了从蛋白结构解析、设计改造以及深度学习等研究工作。我们的酶促 DNA 合成技术有望打破合成生物学现有的发展瓶颈。”逯晓云说。
预计今年推出 Kb 级基因生物合成仪
“在很多领域，生物酶有着化学催化剂无法比拟的超高效率。自然界中生命体内 MB 级的 DNA 全部由生物酶所合成，单个核苷酸的合成速度是毫秒级，而利用化学法合成 DNA 时单个核苷酸需要 6-10 分钟。酶法 DNA 生物合成技术有着更强的潜力和更为广阔的想象空间，其最核心的瓶颈是如何设计高效率的专用酶，这恰恰是我们研究所非常擅长的。不过，酶法 DNA 生物合成技术产业化落地应用，需要资本，以及生物、芯片、装备等多学科交叉协同推进，公司化运营更为合适。经过多年科研攻关，现在正是原始创新技术突破转化到产业落地应用的最好时机。”逯晓云说。
据悉，中和基因在生物法合成 DNA 方面具有深厚的技术积淀，曾承担国家科技部颠覆性项目——“酶法 DNA 生物合成技术开发”。目前，生物“酶促 DNA 合成技术”知识产权已由中科院天工所转让至中合基因，该技术是公司前期研发的 Oligo 生物合成仪和正在布局的桌面式 Kb 级基因合成仪的核心基础。
逯晓云告诉生辉，接下来，公司将立足于 DNA 生物合成技术，开发合成成本低、合成周期短、所有生物实验室均可使用的一体化桌面式 Kb 级基因合成仪，以底层技术的颠覆式突破推动合成生物学发展。
根据官方的资料，成立以来，该公司组建了多学科交叉研发团队，并已构建涵盖多领域专家的研发体系。现阶段，中合基因已成功研制第一代 Oligo DNA 生物合成仪原理机、搭建了 Kb 级基因合成平台，预计 2023 年推出一体化桌面式 Kb 级基因合成仪。
“该仪器可实现 Kb 级基因一站式合成，合成成本降低 1 到 2 个数量级。”
此外，基于酶催化的生物合成仪具有反应温和，对外界环境包容度高、无有毒废气废液等特点，在任何生物实验室均可无限制使用。据逯晓云介绍，整体而言，中合基因未来的核心业务可以分为两块，一是提供开发并推广多种应用场景的 DNA 生物合成设备，二是合成 DNA 长链服务。
“未来发展更需科研与产业界通力合作”
回顾整个 DNA 合成的发展历程，上文提到根据合成原理，合成方法可以分为已成熟并实现商业化的化学合成法和正在研发中的酶促合成法。化学合成方法已经经过了几十年的发展。化学法包括柱式合成技术（亚磷酰胺三酯合成法）和芯片合成技术（喷墨法、光化学法和电化学法）。
化学 DNA 合成方法已经历了几十年的发展，取得了一系列进展的同时，也显现出了一定的局限性，领域内逐渐意识到需要新的技术突破。近些年，领域内开始探索利用生物法来合成 DNA，酶法 DNA 合成技术得到了重视和发展。理论上讲，与化学方式相比，酶法 DNA 合成技术在合成速度、长度、效率及成本等多个方面拥有更多潜力。
20 世纪 50 年代以来，酶法 DNA 合成技术开始出现，但是这一技术并没能实现快速发展。期间，科学家们对酶进行了多次筛选和改造，不过都未能达到理想的效果，酶本身的设计改造被视为是瓶颈所在。
直到 2018 年以来，酶法 DNA 合成技术才在科学层面取得了一些突破。2018 年，Jay D. Keasling 采用交联体策略合成 DNA，首次实现了生物法合成 DNA，平均准确率 97.7%，验证了这一方式的可行性；另一项突破则是上文提到江会锋团队于 2022 年提出的两步循环酶促 DNA 合成技术，平均准确率 98.7%，进一步加速了原始创新到产业落地的进程。
当前，酶法 DNA 合成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。据不完全统计，除中合基因外，全球还有 6 家酶法 DNA 合成技术初创公司，其中，DNA script 进展较快，2022 年初完成 2 亿美元的 C 轮融资，还推出了 96 通道的 Oligo 柱式合成仪原型机。不过，DNA script 同样尚处于商业化前期阶段，推出的设备主要是和高校和研究机构合作试用，验证、打磨酶法 DNA 合成技术。
▲图｜部分酶法 DNA 合成初创公司（来源：Nature Biotechnology）
逯晓云坦言，DNA 生物合成应用还有比较多的难点需要去解决。一方面要加强原创技术迭代，进一步提高合成准确率及速率；另一方面，要考虑工艺流程流畅、仪器装备兼容等问题。
“要在研发上取得持续取得突破，才能不断推动产业升级，从而反哺核心技术研发。我认为，酶法 DNA 合成技术要真正实现快速发展和应用，需要科研和产业界同时发力。”逯晓云说。
