一、商業(yè)化基因合成的興起
隨著生命科學(xué)研究的不斷深入以及生物技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，對基因合成的需求逐漸從科研領(lǐng)域拓展到更廣闊的商業(yè)應(yīng)用。早期，基因合成主要服務(wù)于基礎(chǔ)科研，用于驗證理論假設(shè)、構(gòu)建基因模型等。但隨著制藥、農(nóng)業(yè)、工業(yè)生物技術(shù)等行業(yè)的快速發(fā)展，對特定基因序列的定制需求呈爆發(fā)式增長。這種需求的變化不僅體現(xiàn)在數(shù)量上，更體現(xiàn)在對合成速度、準(zhǔn)確性成本等多方面的更高要求。
 
在制藥領(lǐng)域，為了開發(fā)新型藥物，需要快速合成大量不同的基因序列用于藥物靶點篩選和藥物研發(fā)；在農(nóng)業(yè)方面，培育具有優(yōu)良性狀的轉(zhuǎn)基因作物也依賴于高效的基因合成技術(shù)。合成生物學(xué)領(lǐng)域，低成本基因合成能夠顯著加速科研創(chuàng)新、降低生物技術(shù)開發(fā)成本，并推動食品、醫(yī)美、能源、化工領(lǐng)域的產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)及商業(yè)化落地。這種不斷增長和變化的需求，促使商業(yè)化基因合成行業(yè)迅速崛起，也為后續(xù)一系列創(chuàng)新型公司的發(fā)展提供廣闊的市場空間。

二、商業(yè)化基因合成的規(guī)范

• 早期商業(yè)化基因合成技術(shù)

早期的基因合成主要基于PCR的逐步拼接法，通過化學(xué)方法合成一系列短的寡核苷酸片段，并利用酶學(xué)反應(yīng)將這些寡核苷酸片段按照正確的順序拼接起來，逐步構(gòu)建出完整的基因序列。
 
分步組裝 PCR
 

• 優(yōu)缺點

優(yōu)點：技術(shù)準(zhǔn)確性高，能夠精確合成特定序列的基因，且技術(shù)流程成熟，合成成功率有保障。 
缺點：合成效率低，操作復(fù)雜耗時，成本較高，限制了大規(guī)模應(yīng)用。

• 代表公司：Gene Art

Gene Art作為商業(yè)化基因合成的先驅(qū)，通過建立標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程和質(zhì)量控制體系，率先將基因合成服務(wù)規(guī)范化、商業(yè)化，成為連接科研需求與專業(yè)基因合成服務(wù)的重要橋梁。其開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)流程和質(zhì)量控制體系成為行業(yè)內(nèi)的參考標(biāo)準(zhǔn)，它成功的運營模式也為后來者提供借鑒，促使更多公司進(jìn)入基因合成市場，推動整個行業(yè)的蓬勃發(fā)展。
 
三、市場需求驅(qū)動下的高通量基因合成

• 市場需求

2025年，全球基因合成市場規(guī)模預(yù)計為28億美元，預(yù)計2032年將達(dá)到83億美元（復(fù)合年增長率17.7%）。隨著生命科學(xué)研究邁入組學(xué)時代以及生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，市場對基因合成的通量提出更高的要求。傳統(tǒng)的基因合成技術(shù)無法滿足同時合成大量不同基因的需求，例如在藥物篩選中，需要同時測試成千上萬種不同的基因變體對藥物的反應(yīng)；在合成生物學(xué)領(lǐng)域，構(gòu)建復(fù)雜的生物系統(tǒng)也需要大量不同功能的基因。在這種市場需求的驅(qū)動下，高通量基因合成技術(shù)應(yīng)運而生。
 
來源: Market.US, "Gene Synthesis Market," 2023  

• 高通量基因合成技術(shù)

高通量基因合成（High-throughput Gene Synthesis, HTGS）是一種能夠同時、大規(guī)模合成大量不同基因序列的技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的基因合成方法（固相合成），高通量基因合成技術(shù)基于芯片技術(shù)，采用自動化、高效并行的方式，在短時間內(nèi)合成上千甚至上萬條基因序列，為大規(guī)模基因工程研究提供強(qiáng)大支持。
基于芯片的高通量合成
 

• 優(yōu)缺點

優(yōu)點：合成通量高、成本低、靈活性高。 
缺點：復(fù)雜序列的合成準(zhǔn)確性有待提升。  
 

• 代表公司：Twist BioScience

Twist Bioscience專注于高通量基因合成解決方案。它打破傳統(tǒng)基因合成的通量限制，推動基因合成服務(wù)向高通量、低成本方向發(fā)展，加速相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐，也為行業(yè)帶來新的商業(yè)模式和發(fā)展機(jī)遇。

四、AI賦能基因合成

• 現(xiàn)有技術(shù)的局限與行業(yè)難點

盡管高通量基因合成技術(shù)在通量和成本上取得顯著的突破，但市場多樣化需求仍對其提出了更高的挑戰(zhàn)。

• 超長基因序列合成效率受限； 
• 復(fù)雜序列（如高GC區(qū)域、重復(fù)序列）錯誤率高； 
• 在基因設(shè)計階段，難以精準(zhǔn)優(yōu)化功能需求。 

 

• AI賦能基因合成技術(shù)

通過人工智能算法，對基因序列進(jìn)行深度分析和優(yōu)化，從而顯著提高合成效率和準(zhǔn)確性。AI技術(shù)不僅能夠預(yù)測和解決復(fù)雜序列中的潛在問題，還能在設(shè)計階段提供精準(zhǔn)的基因序列優(yōu)化方案，確保合成的基因序列完全符合功能需求，適用于從基礎(chǔ)研究到工業(yè)應(yīng)用的多樣化需求，包括基因構(gòu)建、基因編輯、高通量文庫構(gòu)建等。
 

• 優(yōu)缺點

優(yōu)點：智能化設(shè)計，提升復(fù)雜序列合成成功率。 
缺點：AI技術(shù)仍處于發(fā)展階段，算法需持續(xù)優(yōu)化。
 

• 代表公司：Synbio Technologies

泓迅生物致力于成為合成生物學(xué)賦能技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，作為首家將 AI 技術(shù)引入基因合成領(lǐng)域的公司，旨在通過AI賦能基因合成，解決高難度、復(fù)雜基因序列合成難題，為客戶提供智能化、精準(zhǔn)化的基因合成解決方案。
 
自主研發(fā)生物智能分析工具：

• Complex Index（CI）：解決高難度序列（重復(fù)序列、發(fā)卡結(jié)構(gòu)、高GC）合成。
• NG Codon：密碼子優(yōu)化設(shè)計，提高蛋白表達(dá)效率。
• AI-TAT：精準(zhǔn)預(yù)測生產(chǎn)周期，便于客戶合理安排后續(xù)實驗。

 

• 行業(yè)貢獻(xiàn)

泓迅生物將 AI 技術(shù)引入基因合成，為行業(yè)帶來全新的思路和解決方案。它推動基因合成技術(shù)從傳統(tǒng)的經(jīng)驗驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動、智能驅(qū)動的方向轉(zhuǎn)變，為解決難度基因合成提供新的途徑，也為整個行業(yè)的技術(shù)升級和創(chuàng)新發(fā)展注入新的活力。

五、未來展望：商業(yè)化基因合成的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
隨著商業(yè)化基因合成的不斷發(fā)展，未來基因合成行業(yè)有望迎來新的變革—生物體合成（In Vivo Synthesis）。生物體合成是指利用活細(xì)胞（如細(xì)菌、酵母或哺乳動物細(xì)胞）作為 “工廠”， 通過調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的基因表達(dá)和代謝途徑，直接在生物體內(nèi)合成目標(biāo)基因或分子，這種方法依賴于細(xì)胞自身的生物合成機(jī)制（如DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯），能夠高效、精準(zhǔn)地完成復(fù)雜基因序列的合成。
 
生物體合成的優(yōu)勢：    

• 高效性：細(xì)胞可同時進(jìn)行多個合成反應(yīng)，適合大規(guī)模生產(chǎn)。
• 精準(zhǔn)性：細(xì)胞內(nèi)的天然糾錯機(jī)制（如DNA修復(fù)系統(tǒng)）可減少合成錯誤。
• 環(huán)境友好：利用細(xì)胞的天然代謝途徑，減少化學(xué)廢物的產(chǎn)生。
• 多功能性：可同時完成基因合成、表達(dá)和功能驗證。

 
未來挑戰(zhàn)：

•  代謝干擾：細(xì)胞內(nèi)其他代謝途徑可能干擾目標(biāo)基因的合成。
• 調(diào)控難度：需要精確調(diào)控基因表達(dá)和代謝途徑，避免細(xì)胞負(fù)擔(dān)過重。
• 規(guī)模化瓶頸：大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)和基因表達(dá)優(yōu)化仍需技術(shù)突破。

 
未來，隨著合成生物學(xué)、基因編輯技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，生物體合成有望成為未來發(fā)展的主流方向，為基因合成行業(yè)帶來革命性變革。