基因合成作为合成生物学的核心支撑技术，不仅实现了从"阅读"生命密码到"书写"生命蓝图的跨越，更在医药研发、工业生物技术等领域展现出巨大应用潜力。今天让我们深入探讨基因合成领域的两大技术挑战——超长片段合成和高重复序列合成，并分享两个具有代表性的成功案例。

超长片段基因合成

超长片段的基因合成一直是领域内公认的技术瓶颈。传统的基因合成方法如同用短小的砖块搭建摩天大楼，随着长度的增加，合成错误率会呈指数级累积，最终难以获得完整且正确的序列。这不仅仅是对合成功力的考验，更是对序列设计优化、错误校正和组装策略等一系列技术的极致挑战。泓迅生物作为AI赋能的合成生物学技术领导者，领先应用其拥有自主知识产权的酵母组装技术，稳定的实现了大片段DNA的工业化生产。

1. 成功案例分享

成功从头合成一条长达10 kb的基因组片段，采用机器学习算法对序列进行智能化重新设计，在不改变编码蛋白功能的前提下，优化密码子使用和序列结构，降低合成复杂度。编

2. 技术难点深度解析

• GC含量异常波动：整体GC含量高达68.1%，且在不同区域呈现剧烈波动。这种大幅波动导致退火温度不一致，严重影响合成效率。

• 结构复杂性：含有8个20 nt的长重复序列，这些区域极易发生错配和错误重组，大大增加了合成难度。

• 热力学不稳定性：高GC含量区域形成的稳定二级结构阻碍了合成过程的正常进行，需要特殊处理才能保证合成准确性。

高重复序列合成

胶原蛋白的基因序列具有极其典型的高重复性结构——由频繁重复的“GXY”（甘氨酸-脯氨酸-X）密码子单元串联而成。这种高度重复的特性，使得合成其编码基因片段变得异常困难。在合成过程中，重复序列极易发生移码错误、同源重组和PCR偏好性扩增，导致最终组装出的序列出现缺失或重复，难以获得长度完整、序列精确的基因。因此，合成一个比天然版本更长的、具有新型功能的重组胶原蛋白基因，不仅是长度的简单延伸，更是一项对基因合成技术精度、保真度和组装策略的极限考验。

1. 成功案例分享

针对100次重复的胶原蛋白肽，我们用到一种重复性DNA的合成与组装方法（一种重复性DNA的合成与组装方法及应用 ，专利号ZL201610670326.4）。依据AI辅助设计的流程图，分级构建100*胶原蛋白肽基因，充分利用三种IIs型限制内切酶（BsaI，BbsI，BsmBI） 进行嵌套重复序列的组装，每种酶负责不同层次的重复单元处理，避免了重复序列之间的错误配对。并解决了合成中的问题（从菌种库中筛选可以稳定遗传高度重复序列的菌株）。

应用这一技术方案，我们成功合成了含有368次20nt重复的高重复序列，为胶原蛋白等重复性蛋白基因的合成提供了可靠解决方案。

2. 技术难点深度解析

这个案例中的序列虽然长度仅为5121 bp，但其重复特性构成了极端挑战：

• 超高频重复单元：以20 nt为单元的重复序列在整个基因中出现368次，这种高度重复性使合成过程极易发生错配。

• 密集短重复结构：以9 nt为单元的重复序列占整个基因的82.9%，如此高的短重复密度使得合成过程异常困难。

• 组装准确性挑战：重复单元之间的高度相似性导致传统组装方法无法区分正确匹配，错误率显著提高。

技术应用前景

基因合成技术的这些突破性进展正在开启多个领域的新可能：

• 精准医疗领域：长片段和高重复序列合成能力的提升，使得基因治疗和个性化医疗迎来了新的发展机遇。科学家现在能够更准确地合成与疾病相关的复杂基因序列，为治疗遗传性疾病提供了新工具。

• 工业生物技术：在生物制造领域，这些技术突破使得大规模合成复杂代谢通路成为可能，为生物基化学品的生产提供了强大支持。

• 基础科学研究：研究人员现在能够合成更复杂的基因回路和合成生物学系统，推动了对生命系统工作原理的深入理解。

• 生物材料开发：特别是胶原蛋白等高重复蛋白的高效合成，为新型生物材料的开发开辟了道路。

基因合成技术的这些突破不仅展示了人类在合成生物学领域的技术成就，更为未来生物经济的发展奠定了坚实基础。随着技术的不断成熟和应用范围的扩大，我们正站在一个能够真正"编写"生命密码的时代。这场技术革命将继续深化，为人类解决健康、环境、能源等重大挑战提供新的工具和可能性。

为什么选择泓迅

领先的技术优势—AI赋能的合成生物学技术

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