DNA承载着生命的蓝图，是生命科学、化学、材料学等多学科的重要研究材料和工具。DNA的人工合成可追溯至19世纪80年代，当时科学家依赖化学合成方法构建DNA片段，其中最经典且广泛应用的方法是固相亚磷酰胺三酯合成法。该方法可靠有效地合成长度小于200bp的寡核苷酸（Oligonucleotide)，但也存在诸多问题：合成过程需大量有机试剂、亚磷酰胺单体稳定性差、每步化学反应不完全且伴随副反应。即使每步反应效率高达99%，利用该方法合成长链DNA时，最终产物的正确率也仅有13%。
DNA合成技术发展历程[2]
在2000年前后，随着酶合成和Gibson组装技术的飞速发展，科学家们获得了通过组装方式合成更长DNA链的能力。2021年，长度超过10kb的DNA分子首次实现了人工合成，实现这一里程碑式突破，背后的公司是Ribbon Biolabs。
基于酶法及混合方法进行DNA 合成的公司示例[3]
SynBioBeta邀请到了Ribbon Biolabs的首席执行官兼首席商务官（CEO/CBO)Jodi Barrientos女士，探讨更多关于长链DNA合成以及Ribbon科技如何实现最长20kb的DNA合成。除此以外，该主题还在2024年5月6日至9日于加利福尼亚州圣何塞举办的SynbioBeta 2024: The Global Synthetic Biology Conference大会上进一步讨论，归属于"DNA的读取、写入与编辑"主题板块。以下为SynBioBeta与Ribbon Biolabs采访全文。
Jodi Barrientos
Ribbon Biolabs首席执行官兼首席商务官
[图片来源：Ribbon Biolabs]
Q
是什么契机产生合成长链DNA的想法？Ribbon是如何应运而生的？
A
Ribbon的创立源于必然需求。现有技术只能捕获约39%的基因，这是远远不够的，生物学上还有许多重要的复杂长基因无法覆盖。运用我们的技术，目前可捕获约61%的基因。我们将继续突破长度极限，但这只是第一步。Ribbon的核心驱动力正是扩大可人工合成基因的范围，以满足合成生物学应用的需求
Q
Ribbon目前可合成的DNA最长是多少？你们的技术能支持合成多长的DNA?
A
我们现有技术可无障碍地合成长达20kb的DNA，这是客户当前的长度需求。不过，根据市场调研，主流需求集中在10-15kb区间。但这并不代表我们的技术止步于此。随着市场对更长基因需求的不断增长，我们有信心可以支持更大范围的长度合成需求。除了长度，我们的技术还可处理GC含量、同源序列、重复序列等导致分子复杂化的多种情况，这正是目前其他技术服务不足的领域。
Q
能否进一步解释Ribbon的机器学习算法是如何指导长链DNA的组装过程？
A
我们的算法充分考虑到了DNA分子的独特性和复杂性。它会读取客户提供的目标序列，并基于我们的核心技术、一组极短的寡核苷酸库和专利酶系，计算出最佳的组装路线以构建该特定序列。这一创新方法使我们能够应对其他技术难以处理的复杂情况，且保证了极高的准确性。这对于癌症疫苗、细胞及基因治疗等精准医疗领域尤为关键。Ribbon的方法可以检测出低至0.33%的错误，而竞争对手仅能报告10%以上的错误率。这意味着客户完全可以信任我们所提供的分子质量。
Q
那么具体的组装过程是如何运作的呢？
A
我们以极短的核酸片段为构建单元，以越短的片段为基础单元越可以保证初始准确性，从而更好地构建长链分子。我们拥有近65,000种备用的短寡核苷酸库，可直接在生产线上进行组装，实现实时制造。之后是一系列专利酶反应，将各片段精准拼接成全长目标分子。
Ribbon的机器学习算法帮助其实现极低的错误率的长寡核苷酸合成
[使用DALL-E创建的人工智能图像]
Q
DNA合成过程是否实现了全自动化？
A
不难想象，如果进行手工操作将会导致巨大的混乱。因此， 我们已经实现了全流程自动化，以支持大规模生产运行。
自动化有助于使合成过程更加高效和准确
[图片来源：sompong_tom(Canva)]
Q
利用化学合成等方法，可以添加荧光团、其他标记和各种修饰。在长DNA合成过程中引入进行类似修饰是否可行，会存在哪些挑战？
A
虽然我们尚未对此进行测试，但从技术层面来看，我们认为没有任何障碍会阻碍在长DNA合成中引入化学修饰。一旦市场对此有足够的需求，将该功能纳入产品路线图将是可行的。我们有信心通过现有技术实现这一点，只是目前相关需求不足，无法推动我们优先考虑。
Q
您能谈谈长合成DNA的一些应用领域吗？该技术最受欢迎和需求的领域是哪里？
A
长、复杂DNA合成技术最具吸引力的是其广阔的应用前景。无论从事何种领域，凡是采用合成生物学方法的研究者都需要更长、更优质的DNA分子。生物制药领域是长链DNA合成的主要早期市场需求来源。这是由于生物制药的发展正朝向合成生物学应用领域拓展，这将是一个巨大的市场。长链DNA在生物疗法、细胞和基因治疗、mRNA生产、病毒疫苗生产等诸多领域具有广阔的应用前景，可为生物制药客户带来全新的发展动力。
参考资料：
[1]https://www.synbiobeta.com/read/advancing-the-frontier-of-long-dna-synthesis?utm_source=ActiveCampaign&utm_medium=email&utm_content=Johnson
[2] 江湘儿,王勇,沈玥.DNA合成技术与仪器研发进展概述[J].集成技术,2021,10(05):80-95.
[3] Hoose, A., Vellacott, R., Storch, M. et al. DNA synthesis technologies to close the gene writing gap. Nat Rev Chem 7, 144–161 (2023). https://doi.org/10.1038/s41570-022-00456-9
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翻译/ if
审核/ 斯特拉
编辑/ 斯特拉
