編者按

近日，《科技日報》頭版發(fā)布“十五五開局 · 創(chuàng)新看點(diǎn)”專欄內(nèi)容，聚焦華大推動基因合成從“手工作坊”躍升至“無人工廠”。

這一原創(chuàng)性突破帶來的顛覆性的性能飛躍，有效破解了制約我國生物制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的核心難題。

《科技日報》2026年4月17日頭版報道

*以下內(nèi)容轉(zhuǎn)載自《科技日報》

4月16日，在位于江蘇常州的華大標(biāo)準(zhǔn)化高通量DNA合成公共服務(wù)平臺的設(shè)備中，數(shù)以百萬計的基因序列正在合成。根據(jù)設(shè)備程序中的“藍(lán)圖”，微芯片按次序“揀選”A、T、C、G等不同堿基（基因組成的最小單元），并將其串聯(lián)起來。

“依托華大集團(tuán)自主研發(fā)的全國產(chǎn)化高通量合成儀，公共平臺每年能合成超百億量級的堿基。”華大生命科學(xué)研究院合成生物學(xué)首席科學(xué)家沈玥向科技日報記者介紹，這個量級在過去是不可想象的，2011年以手工方式合成一條約100萬個堿基的酵母染色體需要數(shù)年。

高通量DNA合成設(shè)備被譽(yù)為合成生物學(xué)的“工業(yè)母機(jī)”，直接決定我國生物制造產(chǎn)業(yè)能否從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化。“十五五”規(guī)劃綱要不僅將生物制造列為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)之一，還提出推動該領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)取得決定性突破。

在“十五五”開局之年，華大合成生物學(xué)團(tuán)隊積極開展自主研發(fā)技術(shù)與裝備的落地應(yīng)用，以精準(zhǔn)高效的基因合成賦能萬億級生物制造新興產(chǎn)業(yè)。

基因合成“無人工廠”

另辟蹊徑

實(shí)現(xiàn)DNA序列自動高效合成

為破解DNA合成主流技術(shù)被發(fā)達(dá)國家壟斷的困局，2017年，華大合成生物學(xué)團(tuán)隊開啟源頭創(chuàng)新，自主研發(fā)DNA合成技術(shù)。

“當(dāng)時主流的技術(shù)是‘固相載體不動、液相試劑流動’，基于噴墨打印、電化學(xué)、光化學(xué)、微流控等技術(shù)結(jié)合而成點(diǎn)陣式芯片，在該芯片表面合成多種DNA短片段。”沈玥說，這樣的合成有點(diǎn)像“亂燉”，所產(chǎn)生的DNA短片段質(zhì)量參差不齊且量少，用標(biāo)準(zhǔn)單位來衡量只能達(dá)到飛摩爾（10-15摩爾），嚴(yán)重影響后續(xù)長片段組裝的成功率。

讓芯片在每一步一心一意做一件事情，不僅能夠提高合成精度，還能提高產(chǎn)量。但問題是，只有芯片“混合”工作，才能滿足高通量的需求。

如何既分開合成又實(shí)現(xiàn)高通量？“‘既要又要’的目標(biāo)，往往意味著全新實(shí)現(xiàn)路徑的支撐。”沈玥回憶，團(tuán)隊在研發(fā)初期遇到瓶頸時，華大集團(tuán)董事長、聯(lián)合創(chuàng)始人汪建凌晨3點(diǎn)打電話和她隔空討論，建議讓本來被固定的部分循環(huán)起來。

“固相芯片充當(dāng)載體作用，是不能移動的；如果讓它移動起來，就要把它變小，而且能實(shí)現(xiàn)可追蹤。”沈玥說，團(tuán)隊將一張芯片分為一個個獨(dú)立的、毫米級的微芯片，在每個微芯片上專注完成一個合成指令。

“移動可行的背后是能夠進(jìn)行身份的識別、追蹤。”沈玥解釋，團(tuán)隊在芯片表面裝上專屬識別碼，系統(tǒng)能夠快速判斷它下一步應(yīng)該去哪里合成，便通過傳送帶將其精準(zhǔn)送往對應(yīng)的工作崗位，一步完成后再接續(xù)下一輪合成。

獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)路線像把“亂燉”里的菜分開“清炒”，每一種按照圖紙獲得的DNA短片段都能更精準(zhǔn)合成且產(chǎn)量更高，自動化合成的單條DNA序列產(chǎn)量直接增長幾十萬倍，提升至納摩爾（10-9摩爾）級。這個濃度可以直接用于下游基因的組裝，無需再進(jìn)行PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）擴(kuò)增，大幅提升組裝效率。

這一“從0到1”的原創(chuàng)性突破，帶來了顛覆性的性能飛躍，有效破解了制約我國生物制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的核心難題。

成本銳減

助推“科研奢侈品”向“工業(yè)原料”轉(zhuǎn)化

技術(shù)路徑在原型機(jī)中走通后，團(tuán)隊不斷打磨，讓機(jī)器從“能用”變成“好用”。

“溫度、濕度、試劑配比等關(guān)鍵參數(shù)達(dá)到最優(yōu)化耗時耗力，由于沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，我們只能進(jìn)行大量的參數(shù)固定化優(yōu)化和摸索。”沈玥說，固定化就像“快餐”標(biāo)準(zhǔn)流程，一旦獲得最穩(wěn)定、產(chǎn)率最高的黃金參數(shù)組合，就會大大提升產(chǎn)出效率。

2024年，華大依托自主研發(fā)的全國產(chǎn)化高通量合成儀，在常州建成國內(nèi)首個核心工具完全自主可控的高通量DNA合成公共服務(wù)平臺。

“‘黑燈工廠’在制造業(yè)落地推廣，我們的生物制造平臺也順應(yīng)數(shù)字化、智能化趨勢，集成了智能化設(shè)計軟件、自動化合成工作站、閉環(huán)質(zhì)量控制等智能化基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了從引物合成到長片段基因組裝的全流程無人值守、自動化運(yùn)行。”沈玥說。

基于華大原創(chuàng)的微芯片大規(guī)模并行合成（mMPS）技術(shù)，單堿基合成成本降低約70%。成本的銳減，讓DNA合成邁出了從“科研奢侈品”向“工業(yè)原料”轉(zhuǎn)化的第一步。

2025年，工業(yè)和信息化部發(fā)布的《人工智能在生物制造領(lǐng)域典型應(yīng)用案例名單（第一批）》中，基于該平臺支撐的“蛋白質(zhì)智能預(yù)測改造技術(shù)”入選。

中國科學(xué)院院士元英進(jìn)評價，結(jié)合人工智能與自動化系統(tǒng)，mMPS技術(shù)將推動合成生物學(xué)在生物制造、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的深度融合與產(chǎn)業(yè)落地。

在工業(yè)生物制造領(lǐng)域，基因合成技術(shù)讓工業(yè)菌株與關(guān)鍵酶的改造無需等待自然傳代，將周期從數(shù)月壓縮至數(shù)周。基因合成改造出的高效“細(xì)胞工廠”可利用秸稈、葡萄糖等可再生原料，在常溫常壓下高效生產(chǎn)可降解塑料、生物燃料、精細(xì)化工品等，形成萬億級新興產(chǎn)業(yè)。

“十五五”時期是我國生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略機(jī)遇期。華大集團(tuán)通過顛覆性的技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了合成生物學(xué)“工業(yè)母機(jī)”的自主可控，并構(gòu)建了“裝備—平臺—應(yīng)用”創(chuàng)新體系，為我國生物制造產(chǎn)業(yè)全鏈條培育及創(chuàng)新發(fā)展筑牢了“硬核”技術(shù)底座。

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