DNA合成技術(shù)，如何在藥物開發(fā)中發(fā)揮作用

從生物醫(yī)藥到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從食品加工到材料工程，從環(huán)保節(jié)能到國(guó)防資源，合成生物學(xué)在眾多領(lǐng)域都具備顛覆性潛力。而合成生物學(xué)最終目的的實(shí)現(xiàn)離不開基因序列的重寫或改造。因此，DNA合成技術(shù)便是合成生物學(xué)的靈魂。

在過(guò)去的10年中，DNA測(cè)序能力顯著提升，同時(shí)CRISPR等基因組編輯工具也取得了重大進(jìn)展。然而，DNA合成技術(shù)卻遲遲沒(méi)有趕上。

DNA合成現(xiàn)有的主要化學(xué)方法一一亞磷酰胺法最早建立于1980年。它依賴于一個(gè)一個(gè)的單個(gè)核苷酸連接構(gòu)建成一個(gè)完整的DNA鏈。

然而，其固有的錯(cuò)誤摻入率將合成的有用長(zhǎng)度限制在大約200個(gè)～300個(gè)核苷酸，DNA組裝又需要消耗大量時(shí)間，合成后的質(zhì)量也要嚴(yán)格把控。同時(shí)還可能存在合成重復(fù)序列和富含GC序列的情況，這些序列傾向于形成二級(jí)結(jié)構(gòu)，因此具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。

酶促DNA合成方法也在開發(fā)中，但這些技術(shù)的效率和準(zhǔn)確性仍然是懸而未決的問(wèn)題，特別是對(duì)于長(zhǎng)度超過(guò)300個(gè)核苷酸的序列。

改進(jìn)的硅芯片技術(shù)有可能推動(dòng)新一代合成器的發(fā)展。

硅芯片技術(shù)的發(fā)展催生了新一代DNA合成儀

借助這項(xiàng)技術(shù)，一個(gè)芯片可以集成多達(dá)10，000個(gè)獨(dú)立控制的“像素”，每個(gè)“像素”都可以作為化學(xué)或酶促DNA合成的反應(yīng)位點(diǎn)。然后以高度平行的方式控制芯片表面上成千上萬(wàn)個(gè)獨(dú)立控制的反應(yīng)位點(diǎn)的DNA合成。合成后，在識(shí)別和消除錯(cuò)誤的過(guò)程中，將鏈在芯片上組裝成雙鏈DNA，從而使準(zhǔn)確性、規(guī)模和速度比傳統(tǒng)方法好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。“像素”的熱控制允許合成方法從現(xiàn)有的酸脫保護(hù)方法更新為新的熱不穩(wěn)定保護(hù)基團(tuán)。

與當(dāng)前技術(shù)相比，“熱”芯片技術(shù)有望通過(guò)將合成序列的長(zhǎng)度擴(kuò)展到數(shù)千個(gè)核苷酸來(lái)將保真度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，“熱”芯片技術(shù)可以使合成器以獨(dú)特的方式提供無(wú)錯(cuò)誤的雙鏈DNA，顯著減少合成后質(zhì)檢和純化所需的時(shí)間。

較長(zhǎng)DNA序列的合成和組裝通常涉及專門的設(shè)備和較高的成本。因此，大部分工作都會(huì)外包給可集中處理的公司，控制權(quán)會(huì)從科學(xué)家手中脫離。現(xiàn)在，這項(xiàng)工作可以使用基于“熱”芯片技術(shù)的定序器在內(nèi)部直接完成。

這項(xiàng)技術(shù)將作為一種“即插即用”的小型桌面儀器應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，它將以前所未有的精確度、規(guī)模和速度合成DNA。

新一代的DNA合成儀有望擴(kuò)大到包括臺(tái)式PCR熱循環(huán)儀和DNA測(cè)序儀，在藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)中有幾個(gè)領(lǐng)域，新的合成技術(shù)將產(chǎn)生直接的、深遠(yuǎn)的影響。

重組單克隆抗體

單克隆抗體是一種目前比較受青睞的藥物開發(fā)方式，因?yàn)樗鼈兙哂泻芨叩目乖Y(jié)合特異性并且相對(duì)容易制造。自1986年第一個(gè)單克隆抗體療法被FDA批準(zhǔn)以來(lái)，治療性抗體的市場(chǎng)已成倍增長(zhǎng)，超過(guò)1000億美元。今天，抗體幾乎占所有生物制藥的80%以上，并且治療范圍涵蓋了廣泛的疾病領(lǐng)域，包括腫瘤、免疫性疾病和傳染病等。

重組抗體技術(shù)顯著提高了抗體制備的質(zhì)量和范圍，使抗體和具有特異性、反應(yīng)性、同型的抗體片段以及片段構(gòu)象得以工程化生產(chǎn)。大規(guī)模并行合成數(shù)千個(gè)單獨(dú)的合成DNA序列，有可能通過(guò)生成合理設(shè)計(jì)、密碼子優(yōu)化的抗體庫(kù)，從而進(jìn)一步徹底改變抗體的發(fā)現(xiàn)和工程化生產(chǎn)，其變體比傳統(tǒng)方法多2倍～10倍。

按需獲取3kb～4kb的高精度合成DNA序列，將使研究人員有更大的空間來(lái)設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)和特異性，一旦確定了其可能的治療價(jià)值，就可以快速生成高度多樣化的抗體庫(kù)且具有高效的優(yōu)化周期。

合成DNA還擴(kuò)展了可變序列的可能范圍，超出了來(lái)自人類或動(dòng)物捐贈(zèng)庫(kù)中所能找到的范圍。這通過(guò)創(chuàng)建難以與常規(guī)小分子（例如G蛋白偶聯(lián)受體）結(jié)合的目標(biāo)抗體，為“不可成藥”靶點(diǎn)的針對(duì)性藥物提供了新途徑。

生物分子療法

合成DNA技術(shù)擴(kuò)展了開發(fā)改進(jìn)的或全新的生物分子療法的可能性，包括酶、肽、RNA催化劑以及DNA和RNA適體。

按需DNA合成可以通過(guò)快速生成基因編碼的新型肽庫(kù)來(lái)幫助藥物發(fā)現(xiàn)，特別是用于解決具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，例如蛋白質(zhì)一蛋白質(zhì)相互作用。DNA合成技術(shù)應(yīng)用在另一種需要大規(guī)模生成DNA的技術(shù)——DNA條形碼技術(shù)中，也使得序列分辨與反卷積變得簡(jiǎn)單。

計(jì)算生物學(xué)的最新進(jìn)展，例如DeepMind的AlphaFold，擴(kuò)展了基于初級(jí)氨基酸序列預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力，為具有藥理學(xué)理想特性的新型生物分子的設(shè)計(jì)提供了信息。將合理的分子設(shè)計(jì)與序列可知的高通量DNA合成相結(jié)合，將引起治療酶或其他生物活性蛋白質(zhì)的快速迭代和進(jìn)化。

應(yīng)用快速合成重復(fù)DNA序列很重要的另一個(gè)領(lǐng)域是DNA和RNA適配體的開發(fā)。適配體有時(shí)也稱為“化學(xué)抗體”，是20個(gè)～60個(gè)核苷酸的寡聚體，可以高度特異性地結(jié)合從無(wú)機(jī)分子到大分子復(fù)合物甚至全細(xì)胞的一系列靶點(diǎn)，并具有顯著的診斷和治療潛力。

適體開發(fā)始于合成寡核苷酸的多樣化資料庫(kù)，這些資料庫(kù)經(jīng)過(guò)多輪進(jìn)化和結(jié)合特性選擇。因此，獲得快速的高通量按需DNA合成將大大加快適體篩選和優(yōu)化的過(guò)程。

疫苗

許多類型的疫苗的開發(fā)都需要合成DNA，包括DNA、mRNA和病毒載體疫苗。

正如COVID-19大流行所表現(xiàn)的那樣，在開發(fā)新型疫苗以應(yīng)對(duì)疫情和不斷演變的變異毒株時(shí)，速度至關(guān)重要。快速按需DNA合成與新一代疫苗平臺(tái)技術(shù)相結(jié)合，可以在幾天內(nèi)就從新型病原體的基因序列數(shù)據(jù)到構(gòu)建出一系列候選疫苗。

盡管mRNA和病毒載體疫苗因其在大流行中的作用備受關(guān)注，但由于最近在遞送、免疫原性和序列優(yōu)化方面的突破，人們重新對(duì)DNA疫苗產(chǎn)生了興趣。此外，DNA疫苗高度穩(wěn)定，無(wú)需冷鏈運(yùn)輸和儲(chǔ)存，并且比mRNA或病毒疫苗更容易制造。

DNA疫苗目前不僅在COVID-19和一些其他傳染病中正在進(jìn)行試驗(yàn)，而且通過(guò)開發(fā)合成DNA疫苗來(lái)觸發(fā)針對(duì)每個(gè)患者疾病中表達(dá)的獨(dú)特新抗原量身定制的免疫反應(yīng)，在腫瘤學(xué)方面也有重大機(jī)遇。盡管過(guò)去由于合成完整質(zhì)粒的挑戰(zhàn)，完全合成新型疫苗的開發(fā)受到限制，但產(chǎn)生高精度的大規(guī)模合成DNA的技術(shù)將為個(gè)性化癌癥免疫治療開辟令人興奮的新可能性。

合成DNA在藥物開發(fā)中有著廣泛的應(yīng)用，從DNA庫(kù)構(gòu)建到新型生物制劑、疫苗等。然而，它的使用受到緩慢、集中的服務(wù)以及較長(zhǎng)序列缺乏準(zhǔn)確性的阻礙。新一代DNA合成儀將帶來(lái)前所未有的準(zhǔn)確性、規(guī)模和速度，可以使這項(xiàng)技術(shù)的使用大眾化，并實(shí)現(xiàn)合成DNA在加速未來(lái)藥物開發(fā)方面的全部承諾。（摘自美<深科技》）（編輯/多洛米）