行研 | 20余载坐热“冷板凳”,合成生物学风云启示录(系列二)

前言

合成生物学用二十余年从科研实验室走向产业,是一部学科从无到有,“莫欺少年穷”的励志故事,也是生命科学技术进步辐射全行业的典型案例。生产方式改变的背后,是整条产业链的竞争。

合成生物学上游改变了什么,驱动了行业的迅速崛起?又有哪些在悄然酝酿,带动下一次剧变?


一、上游赋能生态:什么在改变?

合成生物学上游是驱动产业发展的技术生态系统,包括DNA/RNA 合成、测序与编辑,以及相关的自动化企业。中游则是对生物系统和生物体进行设计、开发的技术平台。下游涉及人类衣食住行方方面面的应用开发和产品落地,医疗健康、食品与农业及生物基产品是主要应用方向。

图1 合成生物学产业链

过去二十年,细胞编程所需三大主要技术都取得了重大进步,即读(DNA测序)、改(DNA编辑)、写(DNA合成)技术,这些进展,加之自动化和人工智能的进步,使得DBTL循环成本大幅降低,研发效率大大提高。

图2 读改写技术突破

DNA测序使研究人员具备读取代码能力。测序成本的下降速率,已经突破经典的摩尔定律。2003年绘制人类基因组图谱耗费约30亿美元。而在2019,仅需不到1,000美元即可完成;未来十年成本可能会降到100美元以下。

图3 DNA测序成本降低超摩尔定律

除了成本降低,更长读长的测序技术由于在复杂高度重复区域的测序优势,也将在合成生物学领域发挥巨大作用。目前纳米孔测序为代表的三代测序读长已达MB级。

DNA编辑是改造基因的工具,在生物科技领域发挥着不可估量的作用,多种各具特色的基因定点编辑技术得到开发。其中以CRISPR/Cas9为代表的第三代基因编辑技术具有构建简单、适用对象广泛和效率高等诸多优点,成为各实验室最常用的基因组编辑技术。

二、高通量DNA合成是业内主流

合成生物学注重工程化地设计、改造和创造有特定功能的生物系统,因此,DNA合成和组装技术是合成生物学产业基础。

受限于合成的反应效率、纯度及产率,DNA的从头合成分为合成Oligo(寡核苷酸)与拼接两大步骤。如何提高Oligo合成的长度和效率、降低合成成本是后续进行大规模基因组合成的关键突破点。

根据合成原理,目前Oligo的合成方法可分为已经成熟并商业化的化学法和正在研发中的酶促合成法。

2.1 固相柱式合成

20世纪80年代,Beaucage和Caruthers开发了基于亚磷酰胺的DNA合成法,分为脱保护、偶联、加帽、氧化四步。发展初期利用一个带有反应腔的合成柱,装载用于寡核苷酸合成的固相载体,配合流体系统,实现四步循环反应,因此被称为固相柱式合成。由于随着链延长所带来的化学反应效率、合成纯度以及产率的下降,该方法合成的寡核苷酸长度一般不超过200个核苷酸。

图4 基于亚磷酰胺的DNA合成法

固相柱式合成以96孔板为载体,研究人员可以在每个孔中并行合成寡核苷酸,因此该方法一次可以并行制备96个寡核苷酸。由于组装一个基因需要大约100个寡核苷酸,因此每个96孔板约能制备一个基因,无法大规模量产。

2.2 固相芯片合成

第二代DNA合成选用芯片(硅、塑料或玻璃材料)为载体,在一个非常小的芯片位点上,能够不受干扰地单独完成每一轮的化学反应,可以实现高通量并行的寡核苷酸合成。LC Science、CustomArray、Twist Bioscience等公司将这一思路进行了商业化。

高通量芯片寡核苷酸合成能够一次合成寡核苷酸多达数十万条,而成本仅是柱式合成的1/104 到1/102。该方法已经实现了一定程度上高通量、低成本的合成,但其下游处理繁琐、工艺过程要求高、污染性化学废弃物等问题仍待解决。

2.3 生物酶法

生物酶法为上述问题的解决带来了曙光,并且有望突破现有合成长度的瓶颈。其中,末端脱氧核苷酰转移酶(TdT)介导的酶促合成法是较好的选择,但还需要更进一步优化。DNA Script、Nuclera、Molecular Assemblies和Ansa Biotechnologies等公司已经基于生物酶法实现了一定长度的单链寡核苷酸的合成,甚至开发出了基于酶合成法的合成仪原型。

2.4 组装

寡核苷酸合成后,需要进行组装。通过分级的体外与体内组装技术的合理搭配,可将分段合成的寡核苷酸片段装配成长片段DNA。根据组装片段的大小、序列特性、是否接受额外序列残留等,目前有众多的策略可以采用。组装流程仍处在持续的工艺优化空新组装技术的开发进程中。

图5 基于不同工具酶的胞外DNA组装方法

三、DNA合成由创新驱动,市场空间巨大

DNA合成技术的代际更替,细分赛道众多,为创新企业带来引领行业的机会。其中Twist Bioscience成立五年内即上市,处于赛道龙头地位。而酶促法和寡核苷酸组装领域孕育了如DNA Script、Codex DNA等明星公司。

表1 海外DNA合成明星公司

Twist Bioscience:赛道龙头,超高通量合成技术独树一帜

Twist Bioscience创立于2013年,基于半导体技术,开创性地在硅芯片合成寡核苷酸,将DNA合成通量提高至百万级,且试剂消耗等比例减少。

Twist Bioscience利用了硅作为芯片的良好特性,将DNA合成的化学反应小型化,并精确控制流体位置。平整—流体可以在硅表面均匀流动;坚硬—可以在不改变表面的情况下添加或去除其他材料;导热性好—可以在整个表面快速、准确和一致地控制温度。Twist Bioscience在高温情况下,促使硅表面氧化。之后蚀刻氧化物层以产生微米或纳米结构。

硅芯片具有高达9,600的簇(cluster)、每个簇内具有121个类似于96孔板的设施(devices)。相比96孔板,实现了百万倍的效率提升,并且将合成DNA价格降至0.09美元/bp。

图6 Twist Bioscience百万级通量

依靠这一技术,成立3年后Twist与中游龙头与Ginkgo建立了长期合作,确立了DNA合成行业领导地位,2018年在纳斯达克上市。基于高通量合成技术及DNA文库储备优势,Twist开展了基因合成、NGS试剂、药物发现等业务,营收增长迅速。在2022年4月,Twist与Ginkgo达成了为期四年的供货续约。在上一份四年合约中,Ginkgo从Twist订购了约10亿个碱基对的合成DNA,在数十个项目中为客户测试数十万种蛋白质。

表2 Twist Bioscience业务收入情况

提供寡核苷酸池业务是DNA合成平台的基础应用。依据Twist Bioscience的规划,DNA合成及NGS是近期重点,药物研发和数据存储将是未来新的市场需求点。特别在药物研发领域,Twist Biopharma提供专有的已经构建好的全合成抗体库,其中包括多种天然抗体和靶向抗体,可靶向常见靶点以及药物研发难度高的靶点。每个文库都包含大约100亿个独特的人类抗体序列。基于DNA文库储备、自动化与小型化优势,Twist Biopharma在药物发现领域具备竞争优势,与武田制药、MediSix Therapeutics、Kriya、Abcam等公司展开合作。

图7 Twist Bioscience抗体发现文库优势

Twist Bioscience在2022 JPM医疗健康大会上宣布酶促DNA合成3.0版本,正式推出酶促合成DNA的方法,并且将进一步开发DNA存储业务。

图8 Twist Bioscience未来发展规划


结语

近两年各大合成生物学公司陆续上市,引爆了合成生物学赛道投资热潮。在中下游公司备受追捧的同时,放眼产业链,上游企业同样是可堪挖掘的“富矿”。本文是我们合成生物学系列行研的中篇,下一篇文章中,我们将重点分析中游平台型企业到底做对了什么能够脱颖而出?以及中游平台先驱为何发展如何曲折?敬请期待。


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