基因组学与DNA设计

01概述与价值链

标记：[EC：新基因组技术（NGT）法规 | OECD：genomics-bioinformatics | 监管机构：FDA（美国）、EMA（欧盟）、NMPA（中国）]

基因组学与DNA设计是测序"读取"的"书写"对应面：从零开始设计并化学合成DNA、组装完整的合成染色体，以及将数字数据直接编码进DNA碱基对，而非分析天然存在的基因组。领先的DNA合成企业Twist Bioscience公司已将其DNA数据存储技术分拆为独立公司Atlas Data Storage，于2025年以1.55亿美元完成启动，旨在为超大规模云服务商及企业客户提供商业化的端到端DNA数据存储解决方案。在中国，天津大学合成生物学团队由元英进院士领衔，作为共同作者参与了2017年发表于《科学》（Science）的里程碑式论文，报告了作为国际Sc2.0项目一部分的四条合成酵母染色体的从头设计与化学合成；该团队于2026年在《自然·方法》（Nature Methods）发表论文，描述了一种名为SynNICE的新技术，可在酵母中精准组装兆碱基级人类DNA片段，并实现跨物种递送至小鼠胚胎，观察到合成DNA被激活并携带调控性表观遗传标记。在法国，图卢兹白色生物技术中心（TWB）——欧洲工业合成生物学设计的旗舰机构——正加速其面向化学品及材料生产的工业生物技术菌株设计工作的发展。在德国，马克斯·普朗克合成生物学研究所正致力于自下而上的合成生物学研究，包括合成细胞构建的极简方法及光合成合成生物体的设计。

基因组学与DNA设计的关键方向：

1. 从头基因组与染色体合成： 从零开始化学合成整条染色体或基因组，正如国际Sc2.0合成酵母基因组项目所展示的，而不仅仅是读取和注释天然基因组。
2. 大片段DNA组装及跨物种递送： 在酵母等宿主生物体中组装兆碱基级合成DNA片段（包括人类序列），随后递送至不同物种以研究基因调控及表观遗传学。
3. 工业菌株设计（代工厂工作）： 为化学品及材料制造工程改造微生物生产菌株——基础合成基因组学的应用/工业对应面。
4. 基于DNA的数字数据存储： 将数字信息直接编码进合成DNA碱基序列，实现超高密度、长期的档案存储，如今正从研发阶段转向专门的商业化企业。

行业价值链

[设计与密码子优化] ──> [DNA合成（寡核苷酸/基因）] ──> [组装为染色体/构建体]
                                                                                  │
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                                                                                  │
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[应用：数据存储/工业菌株/研究] <─── [验证与测序质控]

价值链层级

该行业的跨领域技术：

• 固相DNA合成： 自动合成仪利用亚磷酰胺化学逐碱基构建寡核苷酸——支撑基因合成与DNA数据存储编码的基础工艺。
• 合成染色体设计（Sc2.0式）： 对基因组染色体进行重新设计（去除重复元件、迁移tRNA基因、插入可诱导的基因组重排系统），同时保持生物体的存活能力。
• 基于DNA的数字数据存储： 将二进制数据编码为碱基序列（A/C/G/T），利用DNA极高的信息密度（约每克数拍字节）及数百年的稳定性实现档案存储。

02美国

美国在DNA合成及其新兴数据存储应用的商业化方面处于领先地位，正将基础合成基因组学能力转化为独立业务。

商业化DNA合成、专门的数据存储分拆企业、面向超大规模服务商的存储方案

• Twist Bioscience： 领先的DNA合成企业，已将其DNA数据存储技术分拆为Atlas Data Storage，该公司于2025年以1.55亿美元独立启动。
• Atlas Data Storage： 致力于为超大规模云服务商及企业客户提供商业化端到端DNA数据存储解决方案，与其他新兴DNA存储企业展开竞争。
• 国家安全利益： 鉴于该技术极高的信息密度及数百年的档案稳定性，该领域受益于对超大规模数据集DNA"冷存储"感兴趣的研究资助。

03中国

中国是基础合成基因组设计的主要贡献者，高校主导的团队作为共同作者参与了具有里程碑意义的国际合成染色体项目，并推进大片段人类DNA合成技术。

合成酵母染色体设计、大片段人类DNA组装、跨物种递送研究

• 天津大学： 其合成生物学团队由元英进院士领衔，作为共同作者参与了2017年发表于《科学》的里程碑式论文，报告了作为国际Sc2.0项目一部分的四条合成酵母染色体的从头设计与化学合成；该团队于2026年在《自然·方法》发表论文，介绍了SynNICE技术，可在酵母中精准组装兆碱基级人类DNA片段并实现跨物种递送至小鼠胚胎。
• 国际合作： Sc2.0合成酵母基因组项目汇聚了中国高校与国际合作伙伴（包括作为国际协调方的曼彻斯特大学），体现了中国在基础合成基因组学中作为核心贡献者而非独立行动者的角色。
• 转化方向： 2026年的人类DNA组装及跨物种递送工作，将合成基因组学从仅限酵母的系统拓展至用于在动物模型中研究人类基因调控及表观遗传学的工具。

04欧盟

欧盟的贡献涵盖应用型工业菌株设计代工厂及自下而上合成生物学的基础研究。

工业生物技术菌株设计、自下而上合成细胞研究、新基因组技术监管

• 图卢兹白色生物技术中心（TWB，法国）： 欧洲工业合成生物学设计的旗舰机构，正加速面向化学品及材料生产的工业生物技术菌株设计工作的发展。
• 马克斯·普朗克合成生物学研究所（德国）： 致力于自下而上的合成生物学，包括合成细胞构建的极简方法及光合成合成生物体的设计。
• 监管框架： 欧盟的新基因组技术（NGT）法规正在塑造合成设计生物体及DNA构建体相较传统转基因规则如何被分类及批准。

05领先企业与科研机构

06技术栈与创新发展

基因组学与DNA设计技术栈将计算序列设计与湿实验室合成及组装方法相结合：

1. 自动固相寡核苷酸合成：
   • DNA合成仪利用亚磷酰胺化学逐碱基构建寡核苷酸——支撑定制基因合成与DNA数据存储编码的核心工艺。
2. 合成染色体组装与基因组重排：
   • 遵循Sc2.0模式，经重新设计的染色体序列（去除重复元件并插入可诱导的重组系统）由合成片段组装而成，并递送至宿主细胞，在实现全基因组规模工程改造的同时保持存活能力。
3. 用于跨物种递送的大片段DNA组装：
   • 天津大学的SynNICE等技术在酵母宿主内组装兆碱基级DNA片段（包括人类序列），随后提取并将完整的大片段递送至不同物种的细胞或胚胎中以供功能研究。

07价值链与生产流程

从头合成染色体设计与组装工业流程

┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 1. 目标序列设计与          │ ───> │ 2. 寡核苷酸合成            │
│    密码子优化                │      │                            │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
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│ 4. 宿主细胞转化            │ <─── │ 3. 片段组装为更大构建体    │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘
              │
              ▼
┌───────────────────────────┐      ┌───────────────────────────┐
│ 5. 测序验证与质控          │ ───> │ 6. 应用部署（数据/菌株/    │
│                            │      │    研究）                    │
└───────────────────────────┘      └───────────────────────────┘

阶段1：目标序列设计与密码子优化

目标DNA序列——合成染色体片段、工业基因构建体或编码的数据负载——在计算机中设计，并针对目标宿主生物体优化密码子使用。

阶段2：寡核苷酸合成

自动DNA合成仪利用亚磷酰胺化学逐碱基化学合成短寡核苷酸，随后通过酶促方式连接成更长的基因长度片段。

阶段3：片段组装为更大构建体

利用酶促组装方法及酵母或细菌载体，将合成片段逐步组装成更大的构建体——直至完整的合成染色体或兆碱基级DNA片段。

阶段4：宿主细胞转化

组装完成的DNA构建体转化至宿主细胞（大片段组装工作中通常为酵母），或在跨物种研究中提取并递送至不同物种的细胞或早期胚胎。

阶段5：测序验证与质控

对转化或递送的DNA进行测序及功能测试，以确认其与预期设计相符，并在相关情况下正确激活，呈现预期的调控/表观遗传行为。

阶段6：应用部署

经验证的合成DNA构建体被部署用于其预期应用——编码档案数字数据、作为工业生产菌株，或支持基因调控与发育研究。