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。

MOSAIC流程图

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。