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ldquo基因20时代rdquo
百家谈生命健康的先锋声音
关键词/基因合成
通过高通量测序等技术“读”DNA，让遗传信息解读和应用快速普惠大众，为“基因1.0时代”；正在酝酿的“基因2.0时代”，通过基因合成“写”DNA，深度理解、设计和重构生物系统，赋能育种、能源和环境等。预见未来，本文从技术角度一览基因合成原理和流程等。
本文转自基因慧
划重点1.基因合成特点：设计、改造、验证、修正的反复试错。
2.核心点：基于计算机的DNA序列设计，成本、错误率和DNA序列转入细胞的功能测试。
3.基因合成复杂度，从单链寡核苷酸链、双链寡核苷酸链、原核基因组到真核基因组。
4.基因合成技术，包括基于DNA连接酶、基于DNA聚合酶两种思路。
5.基因组完成组装后，需要依托基因组编辑技术进行验证并进行部分校正。
一生命健康时代的宠儿：基因合成
BT（生物技术）和IT（信息技术）的结合，形成基因技术以超摩尔定律的速度普及，在医疗、健康、大数据和金融层面逐渐形成共识，工业时代的技术革命从信息技术逐渐转移到生命健康技术。
高通量测序等技术“读”DNA让遗传信息解读和应用快速普及，正在酝酿的“基因2.0时代”通过基因合成“写”DNA深度理解和设计生物系统，将变革育种、能源和环境等诸多领域。科学家们可以对编码基因、信号通路、代谢途径乃至基因组进行设计和合成。各国政府已将合成生物学技术作为重点资助对象，涉及合成生物学技术的创新创业也备受资本市场的青睐。
基因合成属于生物合成的范畴，具体包括计算机设计、DNA/RNA合成、CRISPR编辑等技术。在流程上是一个不断设计、改造、验证、修正的试错过程，以此来评估工程化改造生物系统的预期功能。
1.通过使用计算机软件设计DNA序列，这些DNA序列可构成生物电路或通路(图1)。
2.DNA序列被分割成更小的重叠片段(通常为-bp的片段)，然后进一步分割成可化学合成的一组单链寡核苷酸。
3.单链寡核苷酸通过各种DNA组装技术，最终被组装成更大的DNA片段并进行克隆验证。
4.验证后的DNA序列被转入细胞进行功能测试。
5.根据功能试验结果，对本轮设计序列进行更改，并重复测试周期，形成迭代。
图1：基因合成的循环过程。（来源：ColdSpringHarbPerspectBiol）
二基因合成的发展历程
图2：DNA人工合成的发展。（来源：NatureBiotechnology）
基因合成在年前只是单链寡核苷酸链形式。自年后，双链DNA（bp）的合成开始迅速发展。
2年，脊髓灰质炎病毒（poliovirus）基因组（约7,kb）被成功合成(Cello,Pauletal.2)，正式开启基因组合成时代。
年，Venter和Smith等将人工合成的蕈状支原体(Mycoplasmamycoides)基因组转入到山羊支原体（Mycoplasmacapricolum）宿主细胞中(Gibson,Glassetal.)，走出了人工合成基因创造新细胞的历史性一步。
从年开始的酵母基因组合成计划（Sc2.0），当前已经完成了2、3、5、6、10和12号染色体的合成，其中中国科学家做出了重大贡献。DNA的合成与组装未来的发展也许会包括复杂的微生物群落或细胞组织的从头建立。
三寡核苷酸的设计和合成流程
一条基因序列的合成起始于寡核苷酸的设计和化学合成，通过各种组装策略得到0.3-0.5kb左右的短片段，再进行1-2kb基因长度DNA序列的组装。
合成具有复杂结构的基因甚至基因组水平DNA时，合理的设计是关键。靶序列通常需要通过软件从头设计，包括密码子优化、DNA二级结构调整以及其他可能影响系统功能（如蛋白表达）的一系列理性设计。
