下一次科技革命的起點,人類全基因組合成

2020-11-29 生物谷

 

人類基因合成計劃的最大受益者應該就是這家名為Gen9的麻薩諸塞州創業公司了，這家公司與人類基因組合成相關專利的所有者聯繫密切。兩周前，超過130位科學家，論理學家以及政府基金的管理者相聚於哈佛大學，共同探討人類基因組計劃的後續是否需要人工合成人類全基因組，而不僅僅局限於對其解讀。這一事件被稱為人類全基因組編寫（HGP Write）會議，意味著學界將發動所有合成生物學研究者的力量合成人類基因組60億鹼基並使用這些合成結果進一步創造一個細胞。

為了實現這一遠大的目標，科學家們需要新的技術以及更多的DNA，「我們正逐漸發展成為使這一切都能實現的一家公司。」Gen9 CEO  Kevin Munnelly說。Gen9成立於2009年，致力於DNA的合成。該公的合伙人包括哈佛醫學院基因組編寫計劃中心遺傳學家George Church。「我覺得沒有一家公司在DNA的合成領域能夠超過我們，雖然我們只有6位技術員和15000平方米的廠房。」分析人士認為人類全基因組的人工構造將耗費三倍於全球每年天然合成人類DNA的總時間，總共需要總價值9000萬美元的DNA作為原料。

圖為Gen9麻薩諸塞州劍橋實驗室的移液機器人，該公司為生物技術公司合成DNA。

參觀Gen9劍橋實驗室的遊客一眼就能看見這家公司懸掛在大廳的Church真人1：1海報，「預測未來的最佳方式就是改變未來。」海報下的標語如是說。由於技術的商業化，DNA合成成本不斷降低。Church表示其希望Gen9更夠成為生物行業的因特爾公司。

目前，只有部分藥企和諸如Syngenta的農業巨頭需要精確合成的基因，使用基因工程植物或細菌生產諸如人胰島素的藥品。然而現在用於工業的人工合成基因僅僅只有1000多b的長度，遠不能跟人類基因組相比。

更好和更便宜的DNA合成技術將使得全基因組的合成成為可能。想要一種吃碳合成石油的微生物嗎？在不遠的未來這樣的生物可能就會真的出現在你我的生活中。對於Church來說，包括MIT工程師Joe Jacobson和斯坦福合成生物學家Drew Endy在內的Gen9其他科學家合伙人在該公司內都與Church有著同等地位。「Gen9現在還是一個嬰兒，人類全基因組的合成主要還是他們的想法，這也就是他們想要讓這一計劃長期執行的原因。」Munnelly如此描述Church等三位Gen9合伙人。「Gen9的創立初衷是通過降低難度的方式傳播與發揚合成生物學。」

得益於Gen9的創新，目前長鏈DNA的合成以逐漸成為可能。2001年，實驗室合成DNA每添加一個額外鹼基就需要12美元的成本。最近幾年，DNA合成的價格逐步降低，今年3月，Gen9的DNA合成報價已經下降至每對鹼基3美分。

DNA合成價格的下降速度與計算機技術的發展呈摩爾相關，根據該定律，DNA合成的下降速度每兩年將提高一倍。然而由於DNA合成的成本仍然與測序成本不相上下，從根本上提高DNA合成效率的技術仍然是不可或缺的。目前，歸功於一系列測序技術的發展，人類全基因組的測序價格已經下降至1000美元。按照今天的發展速度，DNA合成的發展水平要想趕上DNA測序的發展水平只能等到2066年，這對於現在已經兩鬢斑白的Church來說是不可能的。

由於市場對DNA的需求有限，DNA合成價格的逐步下滑也將面臨一個經濟困境。Munnelly表示現在Gen9的大多數設備是閒置的，事實上，Gen9的同類公司Codon Devices已經因為DNA的出售價格太低而虧損倒閉。

秘密會議

在這種情況下，政府對項目的支持便顯得尤為重要。相關政策的出臺將刺激市場對於DNA的需求，鼓勵現有技術向染色體DNA研究領域擴張。「政府態度的改觀將使人們對DNA合成的認識產生更多市場無法帶來的改變。」Munnelly表示，「我認為在諸如此類的政府項目背景下相關技術將會得到爆炸式的發展。」

目前，Church和其他科學家已經將有關基因組合成的論文提交至Science等知名雜誌，由於論文尚未通過審核，HGP Write會議只能以非公開的方式進行。

另外，HGP Write會議以非公開方式進行的另一主要原因是由於Gen9合伙人Endy的反對意見。雖然Endy持有Gen9的股票並十分支持DNA合成工具的開發，但是他仍然對人類基因組合成的倫理性提出質疑。他認為科學家應該放棄人類基因組的合成，將注意力集中在微生物染色體的合成。

人類基因組的合成會牽扯到一系列的倫理和宗教問題。雖然這項技術的前景依舊模糊，但是在理論上人們是可以不通過生物學父母而由計算機設計並出生的。其他的反對者表示現階段合成生物學的發展水平十分有限，尚未達到實現工業應用的程度。「DNA合成公司大有錢景，他們將會在不久的未來大肆盈利。」MIT Lincoln實驗室的合成生物學家Peter Carr說。

Gen9目前已經在向包括Jef Boeke在內的人類基因組人工合成研究者出售大量的人工合成DNA。作為紐約大學醫學院的研究員，Boeke目前正領導著一項跨國科研合作，致力於酵母染色體組的人工改造研究。

在這一方面，Church在哈佛醫學院的實驗室已經向合成公司下了百萬個鹼基的訂單，對大腸桿菌的基因組進行修改。這項研究的相關論文仍處在審核過程中。

HGP Write的第三個組織者，軟體公司Autodesk的未來主義者Andrew Hessel承擔了這場合會議的主要費用。Autodesk已經向多個合成生物學實驗室投入重金，開發用於生物學設計的各種軟體。同時，Autodesk已經於Gen9達成合作協議，以Gen9作為其DNA供應方。

DNA文藝復興

雖然不是一個mega級的項目，DNA合成產業仍然可能成為一個新興的重量級產業並引起投資者的無限熱情。目前，加州公司Twist Bioscience已經募集了超過1.4億美元資金用於該領域的投資。Church表示他同時也是Twist Bioscience的持股人之一。Gen9和Twist正通過從信息技術領域到DNA合成領域的大肆收購而逐漸引起人們的注意。

Gen9DNA合成自動化設備極大地提高了該公司DNA合成效率。今年4月，Gen9開始以每對鹼基0.03美元的低價出售DNA。

新型的批量合成技術已經逐漸取代了開發與上世紀70年代的傳統，高成本合成技術。「合成生物學行業目前正經歷著一場文藝復興，這非常的激動人心。」Ginkgo Bioworks合伙人Jason Kelly說。Ginkgo今年向Twist下了10萬個基因的訂單，極大地領先於同類產品買家。

Ginkgo目前正在研究芳香類化合物和其他化合物的新型合成方法，為了實現他們的研究目的，Ginkgo需要大量化合物原料植物的基因。Ginkgo可以將這些特殊基因插入酵母中以生產他們的目的化合物。而這種對DNA的不確定需求也是DNA市場價格仍然處於浮動狀態的另一個原因。

另外，全基因組合成的市場需求同時也是一個嚴重的問題。「任何一個人類全基因組合成計劃都會耗時數年，即使是完成了人類全基因組合成，項目後繼的商業化是否能順利進行也是前途未卜。」合成行業諮詢師Rob Carlson表示。失去了經濟上的動機，Rob對於基因組編寫在未來成為一項可被負擔的技術表示出強烈的質疑。「目前市場上還從未有過對人工人類全基因組的需求。」Rob說。

然而，Church則認為這一觀點可能使合成生物學的發展脫離其原有軌跡，「人們現在陷入的人類全基因組合成泥潭與1960年代的計算機泥潭並無二致，」Church說，「當時的計算機大到佔滿整個房間卻沒有任何用處。」那時的人們根本不會想到電晶體會在未來催生像是憤怒的小鳥和Facebook這樣的偉大應用。

Church認為大自然已經使工程師們充分地了解到了技術的發展空間。一個化學家要花上3分鐘的時間延長DNA的一個鹼基，而細胞僅僅只需要1秒鐘就能合成上千鹼基長度的基因。一個人類細胞分裂一次就能完成人類全基因組的合成，而且這基本上這還是一個免費的過程。

「人類基因組合成具有廣闊的發展前景，」Church說，「通過每一項技術創新，我們離這項技術的未來便越來越近。」(生物谷Bioon.com)

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2016（第三屆）基因編輯研討會

會議時間：2016.06.25-2016.06.26     會議地點：上海

會議詳情： http://www.bioon.com/z/2016geneediting/

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