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清华大学生命学院魏迪明团队合作研发下一代高通量基因从头合成技术

编辑:高校招生考试网    所属栏目：高考动态    时间:2026-08-25
    合成生物学是未来发展的重点领域之一，其底层技术是基因和基因组的合成。在这方面，我国虽然取得了一系列长足的进步，但原始创新能力有待进一步提升。在关键的寡核苷酸到基因和基因组的组装过程中，仍存在长期依赖经典的DNA聚合酶延伸反应的现象。

　　8月19日，清华大学生命科学学院副教授魏迪明团队与合作者在《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）杂志在线发表题为“基于寡核苷酸分子自组装的高通量DNA片段合成”（High-throughput synthesis of DNA fragments by molecular self-assembly of overlapping oligonucleotides）的研究论文。在这个高通量基因从头合成技术平台MOSAIC（Molecular Self‑Assembly Induced Cloning，分子自组装克隆）中，分子自组装取代了传统的DNA聚合酶延伸反应，很好地提升了基因从头合成的能力。

　　a.单基因合成基本流程。目标基因首先被分割成多个互相部分重叠的多段寡核苷酸短链，这些短链合成之后自组装，然后整合入质粒骨架，进而转化的质粒在宿主细胞内修复及克隆，最后合成的基因通过桑格测序验证。b. MOSAIC多基因平行合成。c. 通过MOSAIC合成的突变体文库筛选增强型的荧光蛋白。

　　MOSAIC将DNA可编程自组装与宿主细胞天然修复机制耦合，利用杂交反应的可逆性和自纠错特性，避免了传统酶促方法的不可逆错配。MOSAIC方案在以下几个方面比传统合成方案有明显优势：第一，利用自纠错特性与可调节的杂交温度，使得以往不可能从头合成的序列得以轻松合成，如100%GC序列、极强二级结构序列和重复序列；第二，同样得益于自纠错带来的自分选机制，一次性平行合成数以千计的基因得以实现，如此高通量的平行合成在传统方案中根本是不可想象的；第三，更加重要的是，模块化的自组装使得容量高达千万级的突变文库构建变得高度可控，从而大大提升了蛋白筛选和进化的效率和成功率。

　　论文的结果也显示，MOSAIC在提升DNA合成效率的同时也大大降低了合成成本，更重要的是，它极大地降低了超高通量基因合成和蛋白质进化的技术门槛。以文中的塑料降解酶改造为例，按照传统路径，一个大型团队需要数年时间和数百万预算，才能基于千万级突变体文库完成一轮功能进化筛选；而采用MOSAIC方案，仅需两名研究人员，在不到三个月、花费不到十万元人民币的情况下，便轻松完成了同等量级的任务。随着AI蛋白质设计浪潮的兴起，海量生成的生物学假设亟待实验验证，MOSAIC将赋能AI蛋白质设计、抗体药物开发、mRNA疫苗、个性化肿瘤治疗及细胞基因治疗等领域，打通“算法设计—实验验证”的最后一公里。目前，团队与合作者正推进MOSAIC 2.0技术迭代。

　　清华大学生命学院2019级博士生吴智光、2021级博士生孙正阳，中国科学院深圳先进技术研究院姜双英研究员，清华大学生命学院2015级博士生王雅琪为论文的共同第一作者；清华大学生命科学学院魏迪明副教授，中国农业科学院农业基因组研究所戴俊彪研究员，香港理工大学刘冬生教授，合肥核信生物科技有限责任公司夏尼诺博士为共同通讯作者。

　　论文链接：

　　http://doi.org/10.1038/s41587-026-03266-2

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