融资几十亿元的DNA合成赛道，应该成长出什么样的企业？（下）

2024-06-13

核酸药物

编者注：本文作者为连续创业者/曙芯生物创始人曾庆达，2024年5月15日我们曾转载过他一篇文章，他说“下篇再打算写一下DNA合成技术的市场潜力和未来发展格局，以及市场究竟需要什么类型的产品和服务”。经过我们的不懈“鞭策”，这盘菜终于端了出来。引言 DNA合成作为生物制造和合成生物的关键底层使能技术，是新一代农业、食品、医药、材料、能源领域发展的基石，其重要性堪比测序技术对基因组学的支撑。正因为如此，在中美趋近全面对抗的背景下，DNA合成技术及合成仪器，也被美国列入限制出口法案管制。如同Sanger测序之于法医亲子鉴定，NGS之于目前主流应用，长读长测序之于转录组一般，所有方法学或者平台必须建立在与之匹配的应用场景，以及该应用场景需要取得对应的市场认可度方能成立。反之则是伪需求，亦或者是昙花一现。诚然，所有的新品，亦或是新技术，往往会被冠之以“高通量“、”新一代“等名词，这是广告视角；“体验好”、“质量好”、“性价比”，这是客户视角；本文尝试以不一样的产业视角，来叙述方法学/应用场景/市场空间三者的逻辑关系。内卷时代的新池塘熟悉笔者的朋友们都知道，笔者长期从事于基础设施工具商业运营，除了生命科学行业，对于电子制造行业也有一定的涉猎，因此也梳理了一下国内的发展史。电子制造行业基本上经历了一个从黄金时代到铸铁时代的历程，从最开始的高门槛、高利润到如今高内卷、低利润。此时，各位生命科学的朋友们，是否觉得对比电子制造行业，我们所处的赛道是不是有些熟悉？或者亦可参考以下文章，来自于小熊猫的创始人，郭昊天博士的知乎专栏，《合成生物学廿年：无尽的创造》。参考以上的赛道变革以及产业链的变化，结合DNA合成这个领域，是否有相似的潜移默化可以借鉴？我们都知道，在过去的20年时间里，PCR技术称之为国内分子生物学的基石也不为过，也是在这个时间段里面，柱式合成开启了其黄金时间之旅；然而在新冠后时代，为何大家上下游都突然觉得卷了起来？以下图为例：方法学不变，应用场景没有拓展空间，市场端又在缩容的背景下，如同一个固定池塘，没有外来活水，而里面鱼却越来越多，最终无非是大鱼吃小鱼，又或者小鱼直接窒息而亡两种局面。破局点在哪？在活水不进的背景之下，小鱼最好的出路则要么一路吞噬成为大鱼，又或者努力挣扎直接跳出原本的池塘。这也是在科技技术驱动产业里面经常出现的，打破一种方法学困局的必然是另外一种方法学。那具体有哪些公司正在做着印刷电路板行业的FPC（新产品）和Quick turn（快交付）类似的事情，以下为实际案例。呈源生物：专注于基因合成和解码免疫系统的合成生物学和细胞治疗公司：免疫学当中一类重要的基因是T细胞受体（TCR）。在单细胞测序技术成熟之后，人们可以轻易地从每个样本中获得数千条配对的alpha和beta序列。理论上研究人员可以根据此序列合成全长、配对的TCR基因以研究其功能。但每个TCR可变区的总长度接近1 kb。即便用5毛钱一个碱基的价格计算，合成每个TCR的价格也要500元。合成1000个TCR的价格要50万元。这显然是绝大多数科研单位无法接受的。然而呈源生物开发了超高通量oligo pool定向组装的技术，将合成1个TCR的物料成本降至不到1美元，售价仅7美元（包括NGS测序验证），比传统产品的价格降低了近10倍。此技术也在2024年被《自然-生物技术》报道。如今，呈源生物已经将这一技术应用到任意序列基因的合成。虽然价格的降幅不像TCR基因那样显著，但对于大订单（一次性订购100个以上的1-3kb的基因），售价已经降到0.25 - 0.3人民币。同时，在行业叠代发展过程中，逐渐也出现了一些如同上述案例中新的池塘。以下，我们将介绍部分DNA合成下游的“新池塘”。工程遗传网络和代谢途径在近几年火热的合成生物学领域，许多研究人员致力于构建和优化遗传网络，以控制细胞行为和化学生产的代谢途径。相关的研发涉及到大量人工基因元件（如启动子、终止子等）的开发和应用，例如化合物X可以特异性诱导细菌A的一些基因表达，鉴定出相应的转录因子和启动子序列就可以应用在其他细菌的遗传、代谢项目中。类似这样对自然界已有的 DNA片段进行排列组合是人工基因元件的一个主要来源。但由于这些元件和底盘细胞没有经过漫长的共同进化，它们之间可能存在意料之外的相互作用，比如响应化合物X诱导的元件可能会在细菌B里造成细胞毒性，那么可以说这个化合物X诱导系统与宿主B遗传背景之间的正交性不好。随着合成生物学中工程系统的遗传网络和途径变得越来越复杂，在构建大型多组分系统时，可用的正交组分的数量会变得有限，因此合成生物学领域的大量工作都注重正交性元件的开发，致力于使元件之间、元件与宿主菌之间的相互影响达到最小。构建人工代谢途径的例子是把克雷伯氏菌的一个长达23KB进行了“面目全非”的重构，涉及到删除非必需基因和非编码序列、去除转录因子、调整密码子，修改大部分调控元件等等。这样大规模的改造无法通过传统的分子生物学方法完成，完全依赖于基因合成技术。对一种细菌进行系统性的启动子、核糖体结合位点和终止子等元件开发通常需要合成数百到数万种天然或人工设计的序列，这个场景下高通量DNA合成正在成为不可或缺的工具。全基因组合成和遗传重构随着测序技术的快速发展，已经完成了对数万个物种的全基因组测序，下一个巨大挑战是破译基因组序列如何发挥作用，从而实现细胞乃至生命各方面的功能。从合成生物学的角度来看，最好的方式就是从头构建一个基因组，通过设计-构建-测试-学习来研究。合成基因组学最早可以追溯到1972年人类合成第一个tRNA基因，接下来的几十年里合成了一些基因组在10 KB以内的噬菌体和病毒，直到2010年终于实现了一个标志性成果，即具有化学合成基因组的第一个活体细胞。不同的研究团队开始了对大肠杆菌和酵母等微生物的基因组重新设计与合成工作，也有一些合成植物和哺乳动物（包括人类）人工染色体的项目正在进行当中。从应用角度来看，合成基因组具有许多难以替代的作用。第一，病毒方面，合成病毒可以加速疫苗的生产，在新冠大流行期间做出了重要贡献。第二，细菌方面，精简了冗余序列和非必要基因的“最小基因组” JCVI-syn3.0细胞被用作细胞生物学和微生物学的基础研究；而经Church 团队重新设计的因组的大肠杆菌“ rE.coli-57 ”仅使用了57个密码子，这样就可以释放了七个密码子以使用非标准氨基酸，从而为合成抗生素和抗肿瘤药物开辟新途径。最小基因组合成细胞 JCVI-syn3.0 图源：克雷格文特尔研究所 (JCVI) 第三，在酵母方面，合成酵母基因组计划“Sc2.0”开发出了多种新的调控系统，包括光控制和半乳糖控制等，不仅可用于筛选对温度、乙醇、咖啡因、乙酸和木糖高耐受性的酵母菌株，还可用于选择可增加目标化合物产量（如 β-胡萝卜素、紫色素和青霉素）的基因组背景。以上的这些应用场景涉及到全基因组级别的序列改造，涉及的碱基数往往达到几到几十MB甚至更多，极大地依赖于DNA合成的成本和速度。酶的定向进化酶在人类社会无处不在，从日常用的洗衣粉，到食品工业上的酱油醋，还有药物生产和精细化工，酶作为高效、绿色的催化剂广泛应用于各行各业。天然的酶是自然进化产生的，因此它们的适用环境都是生物体内，很难满足工业化应用场景下的极端环境。比如洗衣粉里的酶可以将污渍中难溶于水的大分子物质分解为小分子从而洗去，但天然的酶很难长期保持活性，而且往往只在比较窄的温度和PH范围内（比如30-37度，pH 6-9）有较好的活性，这就降低了实用性，这样就需要进行延长保存时间，拓宽最适反应条件方面的改造。酶的定向进化流程上大致分四个步骤：第一：针对目标功能确立进化起点蛋白，选择一小段区间（通常是活性位点附近），在DNA层面引入大量突变；第二：将突变基因转入细菌，一一分离得到不同突变的细菌个体，并表达相应的突变体蛋白；第三：筛选出比进化起点性能更好的目标性能蛋白突变体，并测序得到基因序列；第四：以获得的最佳突变体作为下一轮进化的起点，开始下一个“突变-筛选”的循环，直至得到预期的蛋白性能。近年来随着计算机算力的大幅提升和先进算法的涌现，计算机辅助蛋白质设计改造提供了另一种改造酶的思路，尤其是以Alphafold为代表的人工智能技术也被应用于计算机辅助蛋白质设计改造。通过非随机的方式选取一些关键氨基酸位点，构建“小而精”的突变体库被称为半理性设计，能够有效减少突变体库规模，提高筛选效率。对任何蛋白进行定向进化都需要引入大量突变这一步骤，传统方法是通过易错PCR等基于PCR扩增的方法来随机产生，这个过程的可控程度较低，很难保证最终得到的突变体库能无偏差地覆盖所有可能的排列组合。此外，易错PCR很少会产生连续两个碱基的突变，这会进一步减少可能可用的氨基酸；并且可能导致插入和缺失，或引入终止密码子。而高通量基因合成技术恰好可以弥补这些缺憾，可以确保突变库的多样性，几乎不会由于随机因素漏掉任何一种可能性，以更小的工作量和成本，更高的稳定性获得目标性能。相关成本占比，可参考下表：时代在变，产业链同样在变。如同手机，从功能机转入智能机时代，又经历了“中华酷联”大战后，形成了苹果/华为/OPPO等巨头，其代工产业链也逐渐演变为美资->台资->陆资。可能我们无法预知在生物工业大浪潮中，合成生物/ADC/CGT/mRNA/IVD在未来会如何演变，然而作为其产业链配套，无论扮演何方角色。但是，至少有3点是值得我们共同努力的，那就是：成本、效率、精度那么，对于DNA合成下游来说，什么才是好的DNA合成？共生时代笔者进入到生命科学这个行业的时候，彼时已经是芯片法检测的末期，大部分的SNP检测已经被PCR所取代；因此美国早年从事芯片法开发的一些公司诸如affymetrix，Full moon逐渐陨落；安捷伦的公司的芯片产线也开始往NGS捕获探针的方式开始转型，这也为后来的Twsit之于高通量合成基因奠定了技术以及产业基础。可见，方法学也好，应用场景也好，一定是匹配市场真实需求，不断叠代，不断演变的。而最终决定这一切的，扮演判官角色的，则一定是市场的真实成绩单，或者说，客户到底认为什么是好的。 DNA合成，从客户的角度出发，所谓的好到底指的是什么。对于工业或者企业级客户而言，往往需求前提是多，通量高，即大量订单的交付需求（如同ICL之于高通量测序）；对于科研级别客户而言，交付体验更为重要；以上两者共性基础，性价比，即质量不变的情况下，价格更低；以上，结合起来无非四个字：多快好省。但是好服务是否一定是好产品或者好模式，不一定。我们都知道，生命科学领域，大概可分为三类角色：设备制造商设备制造商烦恼点在于设备采购以后的更新周期，以及其市场的渗透率；试剂耗材试剂耗材商尽管收益于批次可放大，俗称卖水模式的极佳投入产出比，然而这块也是从事的人最多，最卷的领域；服务商服务提供商往往会应对五花八门的各种需求，来图定制，耗费大量的人力物力在市场推广，扫楼，售前，售后等繁琐流程；可以说，各有各的烦恼。那么，对于初创公司，先努力成为不被吞噬的小鱼才有资格去想接下来的事情。已经身姿绰约，有点游刃有余的鱼儿们，则要去努力寻找属于自己适合生长的池塘，才是当下的最优解了吧。其实还有一种可能，就是类似吸盘鱼，又或者是藤壶的角色；牢牢吸附在大鱼的身上，这样最起码在大鱼PK过程中，可以活下来。这就是我们可能迎来的共生时代，大鱼开疆拓土，共生者牢牢绑定。对于DNA合成而言，接下来的产品就是逆转铸铁时代、开疆拓土的利器。 END 当然也可以联系我至此，各位股东星标了么？点赞了么？转发了么？在看了么？谢谢！近期文章：标准普尔与普洱吃下两颗大补丸，华大智造成了爽文主角聚势谋远共创共赢 | 寻因生物 & 贝瑞基因开启战略合作这家公司把NGS和蛋白组学玩出了花