DNA合成技术进化史：从发现双螺旋到合成生命 | DNA Day

2021-04-26 生物世界

如今，技术的护城河俨然形成，唯有掌握核心技术，才能够在DNA合成市场中占据一席之地。

1953年 ，注定是不平凡的一年，这一年人类开启了分子生物学时代，人类阐明了遗传物质的构成和传递途径。在此后短短的几十年里，人类破解了一个又一个生命之谜。攻克癌症、摆脱遗传病...曾经那些遥不可及的梦想也变得触手可及。

而这一切，都源自1953年4月25日，在这一天，James Watson、Francis Crick发表了那篇注定要名留青史的论文： Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid ^[1] 。自此，困扰几代人的DNA结构之谜得以破解， 分子生物学时代正式开启 。

4月25日 ，也因此被定为DNA Day。DNA双螺旋结构的发现有力助推了生命科学的蓬勃发展，也为DNA合成指明了最初的方向。

今天，我们就围绕DNA合成技术，聊一聊 DNA合成技术的进化史以及这项技术是如何造福人类的。

视频源金斯瑞

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DNA合成有什么用？如何合成DNA？

技术的进步往往是应用驱动的，想了解DNA合成技术的发展史，我们就需要先了解DNA合成的用途。近年来，合成生物学迅速崛起，其中密码子优化、代谢工程、基因组合成等统统离不开DNA的合成 ^[2] 。除此之外，在基因及细胞治疗、分子诊断、抗体及蛋白工程等领域，DNA的合成也发挥了重要的作用，在此不一一枚举。

图1：图源网络

我们知道，在生物体内，DNA复制的方式是半保留复制，也就是DNA在复制时，两条链分别解开作为模板，在引物、DNA聚合酶、dNTP存在的情况下，按照碱基互补配对规律，分别合成两条新链DNA。在新合成的DNA分子中，一条链是新合成的，另一条链是原来的，因此称为半保留复制。而在实验室中，通过RNA提取、反转录等流程合成cDNA片段也是比较传统经典的DNA合成方式 ^[3] 。

随着对DNA合成要求的逐渐提高，催生了DNA合成技术的进步，直接合成DNA也已经成为现实，其基本原理是通过先合成长DNA单链，这些DNA单链存在互补配对，然后通过PCR扩增获得完整的序列 ^[4] 。

图2：图源网络

DNA合成的历史沿革

自从DNA双螺旋结构被发现，DNA合成也慢慢登上历史舞台。DNA合成经历了漫长而又曲折的发展，已经由最初的单链寡核苷酸链形式发展到如今的染色体合成，取得了飞跃式的进步。总体来讲，DNA的合成有几个标志性的事件：

1970年前：基因合成只是单链寡核苷酸链形式。自1970年后，双链DNA （>100 bp）的合成才开始迅速发展。
2002年：脊髓灰质炎病毒（poliovirus）基因组（约7,500 kb）被成功合成，基因组合成时代正式开启。
2010年：Venter 和 Smith等将人工合成的蕈状支原体（Mycoplasmamycoides）基因组转入到山羊支原体（Mycoplasma capricolum）宿主细胞中，迈出了人工合成基因创造新细胞的历史性一步。
2011年：开始酵母基因组合成计划（Sc2.0），当前已经完成了 2、3、5、6、10 和 12 号染色体的合成。
未来：DNA的合成与组装未来的发展也许会包括复杂的微生物群落或细胞组织的从头建立 ^[5] 。

DNA合成技术的进化史

在DNA的合成取得日新月异进步，实现一个个标志性突破的背后，是不断创新、不断迭代升级的DNA合成技术。DNA合成技术众多，分类方式也各不相同，有从技术原理角度分类的，有按照时间轴分类的，等等。大体来讲，主流的DNA合成技术可以粗略地分为四代（详见表1）。

初代DNA合成采用亚磷酰胺三酯合成法，也就是将DNA固定在固相载体上完成DNA链的合成 ^[6] 。第二代DNA合成技术是基于芯片的，包括喷墨法、光化学法及电化学法。第三代DNA合成技术是超高通量合成技术，也就是半导体结合电化学法。目前最新一代DNA合成技术是酶促合成技术，主要包括微阵列法、酵母体内DNA合成法、连接介导DNA合成法。由于篇幅有限，不做展开，感兴趣的话可以详细看下面的表格。

表1 历代DNA合成技术