MIT牛人：新技術推動合成生物學變革

　　在課堂內外，美國麻省理工學院（MIT）的Joseph Jacobson教授，已經成為合成生物學新興領域的一位倡導者和杰出人物。 作為麻省理工學院媒體實驗室分子機器研究組的負責人，Jacobson的工作主要集中在開發快速合成DNA分子的技術。在2009年，他成立了Gen9公司，旨在通過為科學家提供更具成本效益的工具和資源，促進合成生物學的創新。

　　Gen9總部設在馬薩諸塞州的Cambridge，已經開發了一種在硅芯片上合成DNA的方法，大大減少了成本，并加快了基因的制造和檢測。自2013年商業化以來，該平臺目前正在被全球范圍內的幾十個科學家和商業公司所使用。

　　合成生物學家通過組合DNA鏈來合成基因。這些新的基因可以被插入到微生物中，如酵母和細菌。使用這種方法，科學家們可以改變細胞的代謝途徑，使微生物能夠執行新的功能，包括測試新的抗體、測知環境中的化學物質，或制造生物燃料。

　　但是，傳統的基因合成方法可能是耗時和昂貴的。例如，以化學制品為基礎的過程，每個堿基對的成本大約是20美分，每次產生一個DNA鏈。當合成包括100000個堿基對的基因時，這增加了時間和金錢成本。

　　但是，Jacobson說，Gen9的以芯片為基礎的DNA，價格降至了大約每個堿基對2美分。此外，可以對幾十萬個堿基并行的進行測試和編輯，而不是通過傳統的方法對每個堿基對進行測試和編輯。

　　Jacobson說，這意味著，通常需要許多年的新途徑，可以更快的進行測試和開發，應用于先進的治療方法、更有效的酶用于洗滌劑、食品加工和生物 燃料等等領域。他說：“如果你可以在一個芯片上并行的構建數千個途徑，并且可以同時測試它們，你就會更快地得到一個起作用的代謝途徑。”

　　多年來，Jacobson和Gen9已經贏得了許多獎項和榮譽。十一月份，Jacobson也正式就任全國發明家名人堂，以共同發明電子墨水——用于亞馬遜電子閱讀器Kindle顯示的電子墨水。

　　縮放基因合成

　　在本世紀頭十年的早期和中期，一系列重要的研究聚集在一起，從而使基因合成的規模擴大，最終促成了Gen9的創立。

　　首先，Jacobson和他的學生Chris Emig、Brian Chow開始開發具有數千個“點”的芯片，每個芯片含有大約一段不同DNA序列的1億個拷貝。

　　然后，Jacobson和另一名學生David Kong，創建了一套程序，用一種特定的酶作為催化劑，將這些小的DNA片段安裝到微流控設備內的更大DNA鏈中，Jacobson說：“這是迄今為止第一次進行DNA的微流控組裝。”

　　但是，盡管這個過程很新穎，但仍然不完全符合成本效益。平均而言，它產生了百分之99的收益率，這意味著，當構建更大的鏈時，約有百分之1的堿基對 不匹配。對于合成具有100個堿基對的基因來說，這并不是很好。Jacobson說：“但是，如果你想合成具有10000或100000個堿基對的基因 時，這不再有什么用。”

　　2004年左右，Jacobson和當時的博士后Peter Carr，連同其他幾個學生，找到了一種方法，通過來自一段自然糾錯蛋白質（Mut-S） 的線索，顯著增加了產量，當兩段DNA鏈形成雙螺旋結構時，該蛋白能識別DNA堿基對中的錯配。對于合成的基因來說，該蛋白可以檢測和提取芯片上合成的堿 基對中出現的不匹配，從而提高產量。當時他們在《Nucleic Acids Research》發表的一篇文章中寫道，這個過程減少了錯誤率，從每100個堿基對中出現一個，到每10000個堿基對中出現一個。

　　有了這些創新，Jacobson與兩位創始人成立了Gen9公司：哈佛大學醫學院著名教授George Church——也致力于在微芯片合成DNA；和斯坦福大學的Drew Endy，在世界合成生物學創新領域的領軍人物。

　　與員工們一起，他們為合成生物學家創造了一個平臺（稱為BioFab）和其他工具。今天，客戶使用一個在線門戶網站，提交基因序列。然后，Gen9在芯片上設計并合成那些序列，并將其提供給客戶。最近，該公司更新了門戶，可允許拖放功能和選項，用于編輯和存儲基因序列。

　　Jacobson說：“這使得用戶能夠合成這些非常廣泛的文庫——以前一直難以達到的。”

　　激發了大創意

　　許多已發表的研究已經使用了Gen9的工具，其中有幾個被發布到公司的網站。 Jacobson說，值得注意的是，其中包括為治療藥物設計蛋白質。在這種情況下，研究人員需要合成一種蛋白質的1000萬個或1億個版本，每一個可能包 含DNA的50000個片段，以探究哪個是最好的。

　　Gen9不是用傳統的方法一次合成和檢測DNA序列，而是讓研究人員同時檢測一個芯片上的數千個序列。這應該增加了更迅速找到正確蛋白質的機會。Jacobson說：“如果你有一次機會，就很難擊中目標，如果你有成千上萬的機會，你就會有更好的機會獲得成功。”

　　目前，世界上所有的合成生物學方法每年僅生產約3億個堿基對。Jacobson說，Gen9用大約10個芯片來合成DNA，可容納相同數量的內容。 他說，原則上，該平臺用于制造Gen9的芯片——通過與制造企業安捷倫合作，能夠生產足夠多的芯片，覆蓋約2000億個堿基對。這等同于GenBank的 容量。

　　這種技術可能很快就會價值連城：據十一月份MarketsandMarkets（一個主要的市場調研公司）在公布的一項研究，合成短鏈DNA的市場值，預計2020年底達到約19億美元。

　　Jacobson說，不過，Gen9正努力將合成成本降低到每堿基對1美分以下。此外，在過去的幾年中，該公司每年均舉行G-Prize競賽，具有創造性合成生物學想法的研究人員，將獲得大約100000美元的獎金。

　　Jacobson說，這一目標是為了消除合成生物學家的成本障礙，以促進創新。他說：“人們有很多想法，但因為成本都無法嘗試這些想法。這會鼓勵人們去想出更大更大的創意。”