核酸合成仪原理

2022年9月29日，北京大学天然药物及仿生药物国家重点实验室叶新山研究团队在《自然-合成》（Nature Synthesis）上在线发表了题为《自动液相乘法合成复杂聚糖到1080糖》（Automated solution-phase multiplicative synthesis of complex glycans up to a 1,080-mer）的研究论文，报道了关于糖类化合物合成领域的突破性进展。其团队基于“预活化”一釜多组分糖基化反应和液相乘法合成的原理，自主研发了新型双模式液相糖自动合成仪；并利用该自动合成仪合成了各种复杂结构的寡糖和多糖，其中合成多糖的分子尺寸达到了惊人的1080糖（1080-mer），将结构均一的多糖分子的合成提升到了一个新的高度，远超核酸（到200-mer）和蛋白质（到472-mer）的合成水平。鉴于该成果在大分子合成及其应用方面的重要意义，《自然》（Nature）杂志专门配发了对这一工作的亮点评述。在自然界中糖类物质无处不在，几乎参与了多细胞生物的全部生命过程，如受精、着床、分化、发育、免疫、感染、癌变、衰老等等。由于糖类化合物结构固有的复杂性，想要获得结构明确、均一的聚糖类化合物，合成难度大，往往需要具有高度专业技能的人员通过手工合成来完成，耗时费力，这严重制约着糖科学的发展；而对于分子尺寸更大、结构更为复杂的多糖类化合物的合成，更是一项极具挑战性的工作。目前国际上糖类化合物的自动合成技术的发展仍处于初级阶段，尤其是液相糖自动合成仪的研制在国内外基本上还是空白，因此糖类化合物的合成范式亟待变革。叶新山团队在前期发展了基于糖基供体“预活化”的一釜连续寡糖合成策略，从而奠定了糖自动合成仪研制的基础。合成仪的硬件包括自动合成系统（包含自动进样系统和合成辅助系统）、在线监测系统和可编程逻辑控制系统，通过可编程逻辑控制系统将自动合成系统和在线监测系统进行耦合，成功设计了新型双模式液相糖自动合成仪的整机框架，实现了第一代原型机的顺利组装。软件方面，可编程逻辑控制系统受上位机控制，基于Labview语言程序设计研发了实用的特色上位机软件控制系统（Ye Glycosoft），完成对合成仪的整机控制和调试，实现了合成仪的稳定运行。为了验证所研制的合成仪的功能，他们利用该合成仪进行了如下工作：（1）在普通活化模式或者光介导活化模式下，快速自动合成了具有重要生物活性、包含各种糖型和糖苷键连接方式的寡糖化合物库；（2）以克级规模高收率地自动合成了带有保护基的抗凝血糖药物磺达肝葵钠五糖；（3）以单糖为原料，成功实现了一釜十组分自动偶联反应得到聚阿拉伯十糖；在此基础上利用自动乘法合成策略，自动合成了结构均一的由1080个单糖单元所组成的多糖阿拉伯聚糖，而阿拉伯聚糖是植物和病原菌细胞壁的重要成分。这是目前人工合成的最大最长的多糖分子，使得代表着人工合成均一结构生物大分子复杂度的单体组成数目首次达到了四位数水平，在多糖合成领域具有重要的里程碑式意义。该合成仪为非专业人员提供了一个组装目标聚糖的平台，填补了国内外在液相糖合成仪研制方面的空白，将为糖科学及其在医药和材料领域的应用提供新的有效的工具。北京大学药学院博士后姚文龙为该研究论文的第一作者，叶新山为论文的通讯作者；熊德彩研究员和叶新山团队的部分研究生同学参加了该研究工作。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家重点实验室仪器研制等项目的资助。作者简介：姚文龙，北京大学药学院2016级博士、2020级博雅博士后。研究兴趣为糖化学、糖药物和化学合成自动化与智能化，已在Nat. Synth、J. Am. Chem. Soc.等杂志发表学术论文5篇；申请专利7项，获授权专利4项；主持国自然青年基金1项。叶新山，北京大学药学院教授、博士生导师，北京大学药学院副院长，国家杰出青年科学基金获得者。从事糖化学、糖药物化学和糖化学生物学研究，发表论文180余篇，获授权发明专利17件。部分成果获国家自然科学二等奖、中国药学会科学技术一等奖、第十三届吴阶平-保罗杨森医学药学奖、张树政糖科学杰出成就奖等奖励。目前担任Chinese Chemical Letters杂志副主编、Journal of Chinese Pharmaceutical Sciences杂志执行主编，兼任中国疫苗行业协会糖疫苗专业委员会主任委员、中国化学会糖化学专业委员会副主任委员等职务。

2022年11月，伯科生物科技有限公司（以下简称“伯科生物”）自主研发的首款多功能Oligo合成仪SynStar21已成功交付北京合生基因科技有限公司（以下简称“合生基因”），双方将在基于RNA合成的技术方向积极合作，拓展应用管线。伯科生物是一家合成生物学底层技术领军企业，致力于面向合成生物学与基因组学的新技术开发与转化。成立至今，伯科生物持续拓展核酸（DNA/RNA）合成上游技术与设备的开发制造。伯科生物研发团队经过五年的努力，在探索与实践了不同前沿合成技术路径后，确认了当前成熟的合成工艺，可以满足科学试验、临床检测以及药物研发等不同的合成需求。SynStar21多功能Oligo合成仪在上一代长链DNA合成仪的基础上自主研发完成，具备多种合成功能，满足RNA、DNA、DNA/RNA修饰以及DNA/RNA嵌合Oligo合成，具有合成准确性高、经济、操作简单等优势；SynStar21合成仪通过深度优化的硬件和软件系统，可以提供nmol~μmol合成规格，可开展不同类别不同长度不同修饰的高品质DNA和RNA Oligo合成，单链长度可达120nt DNA和100nt RNA。合生基因是致力于合成生物学在生物医药和生命健康领域应用的国家高新技术企业，专注于基于合成生物学技术的基因与细胞治疗药物研发及科研与临床服务。2021年10月11日，合生基因研发的首款基因治疗产品——用于治疗晚期实体瘤的溶瘤病毒产品 SynOV1.1 腺病毒注射液获得国家药品监督管理局（NMPA）临床试验默示许可，这也是国内首个“合成基因线路精准调控”的基因治疗产品获得国家药监局批准开展临床试验。在此之前，该产品已于2020年11月获得美国FDA临床试验许可。合生基因期望利用合成生物技术开发针对癌症、遗传病、传染性疾病的创新药物和治疗方法，构建基于合成生物技术的生物医药新生态。合生基因首席科学家谢震教授指出，在细胞治疗和小核酸药物等的药物研发领域，很大程度上都需要利用合成生物技术进行研发。合生基因通过融合信息技术，挖掘关键且具有差异化的生物学元件，组装成真正的分子机器，利用分子机器进行细胞功能模块化设计。目前合生基因将合成生物学技术应用到了溶瘤病毒的治疗领域，研发出了具有差异化的产品，达到杀伤肿瘤效果。近年来，核酸药物、细胞/基因治疗的研发与临床转化取得了巨大的进步。2022年3月，美国麻省理工大学的科研团队在《自然》杂志发表论文，首次报道了在动物模型中通过sup-tRNA治疗无义突变导致的遗传疾病的可能性[1]；2022年11月，靶向LPA基因的siRNA降脂药物Olpasir的II期临床试验结果公布于《新英格兰医学杂志》（The New England Journal of Medicine）上，在治疗36周时血液中脂蛋白（a）水平下降超过95%，几乎所有患者的脂蛋白（a）恢复正常水平，试验结果令人振奋[2]。截止目前，FDA已经批准了十余款寡核苷酸药物，包括多种合成修饰的RNA或DNA，例如反义寡核苷酸（antisense oligonucleotide，ASO）、小干扰核糖核酸（small interfering RNA，siRNA）和核酸适配体（aptamer）等。2021年12月，靶向PCSK9基因的siRNA降脂药物Leqvio（inclisiran）获FDA批准，一年两次给药可实现长效降脂，极大的提高了患者的依从性，对动脉粥样硬化性心血管疾病(ASCVD)有良好治疗效果。图1 ASO、siRNA作用机制以及用于心血管疾病的治疗[3、4]2022年，有5款基因疗法获得美国或欧盟监管机构的批准上市（Upstaza、Zynteglo、Roctavian、Skysona和Hemgenix），分别用于治疗芳香族L-氨基酸脱羧酶缺乏症（AADCD）和β地中海贫血等疾病。在肿瘤治疗方面，2022年10月在国际医学权威期刊《柳叶刀》（The Lancet）上，概述了目前mRNA癌症疫苗的研发进展和临床试验状况，现在至少有35项mRNA癌症疫苗在临床开发中。mRNA疫苗由于其耐受性好、具有非传染性同时生产速度快、成本低等优势，已有大量临床试验开始评估mRNA疫苗的临床疗效和免疫原性[5]。未来，中国的生物科技企业需要努力在核心设备的自研自造、生物学工程的优化创新、生物技术与信息技术的融合等方面积极开拓，纵深合作，共同推动中国生物经济的持续健康发展。参考文献：1. Wang J, Zhang Y, Mendonca C A, et al. AAV-delivered suppressor tRNA overcomes a nonsense mutation in mice[J]. Nature, 2022, 604(7905): 343-348.2. O'Donoghue ML, Rosenson RS, Gencer B, et al. OCEAN(a)-DOSE Trial Investigators. Small Interfering RNA to Reduce Lipoprotein(a) in Cardiovascular Disease. N Engl J Med. 2022 Nov 17 387(20):1855-1864.3. Blom D J, Marais A D, Moodley R, et al. RNA-based therapy in the management of lipid disorders: a review[J]. Lipids in Health and Disease, 2022, 21(1): 1-16.4. Paunovska K, Loughrey D, Dahlman J E. Drug delivery systems for RNA therapeutics[J]. Nature Reviews Genetics, 2022, 23(5): 265-280.5. Lorentzen, Cathrine Lund, et al. "Clinical advances and ongoing trials on mRNA vaccines for cancer treatment." The Lancet Oncology 23.10 （2022）: e450-e458.关于伯科伯科生物科技有限公司是一家合成生物学底层技术领军企业，致力于面向合成生物学与基因组学的新技术开发与转化，于2020年获得国家高新技术企业认证。为学术研究与商业应用提供了高品质核酸产品，为医疗健康、生物制药和农业等领域提供底层技术支持。公司产品线涵盖NGS测序、纳米孔测序、PCR平台检测、CRISPR基因编辑、以及RNA干扰等领域。伯科生物已在中国无锡搭建全流程国产化的高通量核酸合成与应用技术转化中心，建立了GMP厂房和ISO9001、ISO13485质量体系。公司已经为国内外100多家的医学检验机构、30多家知名医院与临床学术团队开发了400多款液相基因芯片（Gene Panel），在基因组、转录组、甲基化组及病原体液相基因芯片均有成熟的产品。液相基因芯片（Gene Panel）已经成为合成生物学的重要应用之一，在生殖、遗传疾病、肿瘤诊断、肿瘤早筛、病原体检测等医学与健康领域有着广泛的应用，在动植物的分子育种以及品种鉴定方面也有着广阔的应用前景。2020年9月伯科生物在液相基因芯片取得突破性进展，完成了首款全流程国产人全外显子液相基因芯片的研发与测试，正式推向市场，达到了国际领先水平，打破了海外巨头对该产品的垄断。该产品在实现优质性能的同时实现了模块化扩展，扩大全外显子液相基因芯片在科研、临床、大健康等领域的应用。伯科生物可以完整提供全流程国产甲基化液相基因芯片以及配套试剂。未来，依托合成生物学的底层技术，伯科生物将向基因治疗、核酸药物、DNA存储、DNA材料学以及分子育种等领域积极拓展，为实现“精益求精创新，为人类美好生活”的企业使命而努力。

CEM公司开发的Liberty研究级全自动微波多肽合成系统，自投放市场以来，得到了全球从事多肽合成研究专家们的一致推崇与信任。目前Liberty多肽合成仪在世界各国的用户已达到二百多家。不论从产品的技术创新，还是从产品的销售增长，或者从产品涉及的应用领域，Liberty已被公认为全球第一水平的多肽合成设备。获得这一殊荣，Liberty当之无愧！ Liberty研究级微波多肽合成仪是CEM公司2004年R&D100大奖产品Odyssey的升级产品，它最先被全美最大的实验室Brookhaven，MIT实验室作为SARS研究的重要工具。之后，Liberty用户群开始遍及世界著名的科学研究机构和多肽药物研发企业。目前，Liberty在国内顶级的科研机构，如军事医学科学院、中国药科大学、协和医科大学医学科学研究院、中国检验检疫科学研究院、中国石油大学生物工程中心、中国科学院、中国农业科学院等成功安装，并且使用效果令人鼓舞。 Liberty多肽合成仪突破了一直以来困扰传统固相合成方法以及常规多肽合成仪的技术瓶颈，那就是反应过程中多肽链聚合现象。Liberty采用的是创新的环形聚焦电磁场技术，多肽链在这种环形聚焦电磁场的作用下可以充分的伸展开，从而可以非常高效的进行多肽合成流程中的一系列反应，如脱保护、耦合以及切割反应。使多肽合成时间由过去以小时为单位计算的历史改写为以分钟为单位计算，同时，实现了以往难以想象的长肽以及困难多肽的合成。 Liberty多肽合成仪对反应过程中的每个步骤都完全可控。配套的光纤温度探头对样品温度进行实时的原位监控，使多肽合成反应能够在最佳的环形电磁场的作用下进行。同时，Liberty多肽合成仪能够以极快的时间进行高效的氨基酸耦合反应，因此产物的外消旋也基本消失，多肽产物的活性得到了保证。 CEM公司致力于为国内多肽合成基础研究和多肽药物的开发进度贡献我们的力量！需要详细了解Liberty多肽合成仪的使用效果，请与我们联系。 有关详情请浏览培安公司的网站www.pynnco.com，电子邮件：sales@pynnco.com，电话：010-65528800。 美国CEM多肽合成仪(全自动微波多肽合成仪)