Nature Biotechnology：华大发布DNA合成新技术，助力合成生物产业迈向新时代

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

在合成生物学领域，DNA 合成技术一直被视为制约行业发展的关键瓶颈。传统高通量 DNA 合成技术，是在单一芯片表面合成数百万条 DNA 短片段，虽能一次合成大量片段，但每条片段的产量极低，且容易出现片段间交叉污染，严重影响后续长片段组装的成功率。因其无法同时满足“高通量”、“长片段”、“低成本”的需求，直接限制了复杂代谢途径研究、染色体工程、大规模突变库构建等前沿研究的深入推进。

2025 年 10 月 1 日，华大生命科学研究院联合多家机构，在Nature Biotechnology期刊发表了题为：Scaling DNA synthesis with a microchip-based massively parallel synthesis system 的研究论文。

该研究发布一项自主研发的基于并行原理的 DNA 合成技术——mMPS，以“微芯片”的创新范式从源头颠覆了DNA 合成技术，成功实现了在合成通量、产量和质量上的系统性突破。

该技术将合成生物学从“写得出”推向“写得准、写得优、写得省”的新高度，有望为基因组编写、疫苗快速开发与DNA 数据存储等领域提供关键支撑，在全球生物制造领域展现中国创新的底层突破力量。

打破技术局限，攻克传统DNA 合成效率、成本与覆盖度难题

与传统技术不同，mMPS 技术采用了一种创新的合成路径：将一张芯片分为一个个独立的、毫米级的微芯片，在每个微芯片上仅合成一条短链 DNA，且芯片表面均带有专属识别码，可对 DNA 片段进行身份识别与分选，全程追踪该片段的合成过程。此外，通过“识别-分选-合成-回收”的循环机制，使芯片具备可重复使用的能力，为可持续、低成本的 DNA 合成奠定了坚实基础。

mMPS技术原理示意

简单来说，这些微芯片就像一个个带着专属工号的“工人”。合成工厂的智能扫描仪识别出它的工号之后，能够快速判断它应该去合成哪条特定的短链 DNA，便通过传送带将不同的工人精准送往对应的工作岗位（反应柱），在这里合成一条 DNA 短链。合成工作完成后，这些工人还能被收集起来，准备投入下一轮的工作。

通过这样的模式，mMPS 技术实现了多重突破：

• 产量跃升：单条DNA序列的产量从传统的fmol级别（极微量）提升到pmol~nmol级别，幅度达4-6个数量级；

• 流程简化：组装基因步骤从原来至少5步以上的操作优化至仅需2步完成，且无需额外添加扩增引物或酶切位点，可直接用于基因组装，避免错误累积；

• 精准可控：每条DNA片段都在各自的专属“空间”合成，避免了交叉污染，反应条件还可根据需求独立优化。

研究团队通过系统性实验验证了 mMPS 在基因组装、突变库构建等多场景下的卓越综合性能。研究成果充分证明了该技术在处理复杂序列、高 GC 含量区域和重复序列方面的独特优势，为蛋白质稳定性研究、疾病突变机制解析提供了可靠的技术支撑，将助力科研人员更深入地探索生命科学领域的关键问题，为疾病治疗、新药研发等领域的突破奠定基础。

催生产业应用，推动DNA 合成迈向生物制造新时代

目前，基于 mMPS 技术打造的标准化高通量合成平台已在常州华大孵化落地，并已在多个产业领域展现出巨大的应用潜力。该技术有望全面推动 DNA 合成从一项实验室服务，升级为生物制造基础设施，从而在医药、诊断等领域催生系统性效率革命。

在创新药物研发领域中，找到并优化出关键的药物靶点，对研发抗体药物、针对癌症的 CAR-T 细胞治疗来说都是极其重要的一步，而这背后离不开高质量的突变体库构建，即包含大量基因变异的“药物候选资料库”。相较于传统方法需耗时数周完成突变库构建， mMPS 技术体系可将其缩短至数天，大幅加速抗体发现与优化进程，并显著提升覆盖度与均匀性，让“救命药”更早走到患者面前。

在酶制剂、生物基材料、精细化学品等生物制造领域，“高效菌株”是决定工业化生产效率与产品性能的关键因素。mMPS 支持快速酶定向进化，可将菌株改造周期从数月缩短至数周。研究表明，其单碱基合成成本比传统方法降低约 70%，为大规模工业化应用铺平道路。生物制造企业可借此构建专属酶库和代谢途径库，形成技术壁垒。

在临床诊断领域，引物探针是帮助医生排查特定基因靶点、病毒片段、基因突变等的检测工具。面向多靶点检测、早筛 panel 定制等需求，制作引物探针的传统“柱式合成”方法需多次操作且成本高昂。而 mMPS 可一次性合成数千对引物探针，合成成本下降3倍以上。这将推动 NGS 检测 panel 从数百个靶点向万级靶点升级，为癌症早筛、传染病监测、遗传病诊断提供更有力的解决方案。

值得一提的是，mMPS 技术所具备的模块化、自动化特性，为生物铸造厂（Biofoundry）的兴起提供了技术基础。未来可能出现“DNA 合成即服务”的新型平台，通过 AI 驱动设计、自动化合成、机器人测试的闭环，为行业提供从序列设计到功能验证的一站式解决方案。

mMPS 设备外观及关键结构

随着芯片可重复使用技术的成熟和合成工艺的进一步优化，mMPS 有望成为下一代工业级 DNA 合成工厂的核心引擎。

华大生命科学研究院合成生物学首席科学家沈玥表示：mMPS 技术的问世，不仅仅是 DNA 合成领域的一项技术迭代，更是合成生物学从“实验室探索”走向“工业化制造”的关键转折点。未来，随着mMPS技术的推广应用，更多复杂生物系统的设计、构建与测试将成为可能，合成生物学有望在医药、能源、环保等领域迎来真正的产业化爆发。

对于 mMPS 技术的未来前景，中国科学院院士元英进认为：未来，结合人工智能与自动化系统，mMPS 有望成为“设计-合成-测试-学习”范式的引擎，推动合成生物学在生物制造、医疗健康等领域的深度融合与产业落地。此项突破不仅彰显我国在合成生物学底层工具领域的创新能力，也为构建自主可控的生物技术体系奠定了重要基础，具有重大的学术价值与产业化前景。

华大生命科学研究院张弦笛副研究员、江湘儿副研究员为该论文第一作者，华大生命科学研究院沈玥研究员为论文通讯作者。该成果获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金委项目、深圳市科技创新局项目、江苏省新型研发机构等的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41587-025-02844-0