4月16日，在位于江苏常州的华大标准化高通量DNA合成公共服务平台的设备中，数以百万计的基因序列正在合成。根据设备程序中的“蓝图”，微芯片按次序“拣选”A、T、C、G等不同碱基(基因组成的最小单元)，并将其串联起来。
“依托华大集团自主研发的全国产化高通量合成仪，公共平台每年能合成超百亿量级的碱基。”华大生命科学研究院合成生物学首席科学家沈玥向科技日报记者介绍，这个量级在过去是不可想象的，2011年以手工方式合成一条约100万个碱基的酵母染色体需要数年。
高通量DNA合成设备被誉为合成生物学的“工业母机”，直接决定我国生物制造产业能否从实验室走向工业化。“十五五”规划纲要不仅将生物制造列为新的经济增长点之一，还提出推动该领域关键核心技术攻关取得决定性突破。
在“十五五”开局之年，华大合成生物学团队积极开展自主研发技术与装备的落地应用，以精准高效的基因合成赋能万亿级生物制造新兴产业。
另辟蹊径，实现DNA序列自动高效合成
为破解DNA合成主流技术被发达国家垄断的困局，2017年，华大合成生物学团队开启源头创新，自主研发DNA合成技术。
“当时主流的技术是‘固相载体不动、液相试剂流动’，基于喷墨打印、电化学、光化学、微流控等技术结合而成点阵式芯片，在该芯片表面合成多种DNA短片段。”沈玥说，这样的合成有点像“乱炖”，所产生的DNA短片段质量参差不齐且量少，用标准单位来衡量只能达到飞摩尔(10-15摩尔)，严重影响后续长片段组装的成功率。
让芯片在每一步一心一意做一件事情，不仅能够提高合成精度，还能提高产量。但问题是，只有芯片“混合”工作，才能满足高通量的需求。
如何既分开合成又实现高通量?“‘既要又要’的目标，往往意味着全新实现路径的支撑。”沈玥回忆，团队在研发初期遇到瓶颈时，华大集团董事长、联合创始人汪建凌晨3点打电话和她隔空讨论，建议让本来被固定的部分循环起来。
“固相芯片充当载体作用，是不能移动的;如果让它移动起来，就要把它变小，而且能实现可追踪。”沈玥说，团队将一张芯片分为一个个独立的、毫米级的微芯片，在每个微芯片上专注完成一个合成指令。
“移动可行的背后是能够进行身份的识别、追踪。”沈玥解释，团队在芯片表面装上专属识别码，系统能够快速判断它下一步应该去哪里合成，便通过传送带将其精准送往对应的工作岗位，一步完成后再接续下一轮合成。
独创的技术路线像把“乱炖”里的菜分开“清炒”，每一种按照图纸获得的DNA短片段都能更精准合成且产量更高，自动化合成的单条DNA序列产量直接增长几十万倍，提升至纳摩尔(10-9摩尔)级。这个浓度可以直接用于下游基因的组装，无需再进行PCR(聚合酶链式反应)扩增，大幅提升组装效率。
这一“从0到1”的原创性突破，带来了颠覆性的性能飞跃，有效破解了制约我国生物制造产业规模化发展的核心难题。
成本锐减，助推“科研奢侈品”向“工业原料”转化
技术路径在原型机中走通后，团队不断打磨，让机器从“能用”变成“好用”。
“温度、湿度、试剂配比等关键参数达到最优化耗时耗力，由于没有经验可以借鉴，我们只能进行大量的参数固定化优化和摸索。”沈玥说，固定化就像“快餐”标准流程，一旦获得最稳定、产率最高的黄金参数组合，就会大大提升产出效率。
2024年，华大依托自主研发的全国产化高通量合成仪，在常州建成国内首个核心工具完全自主可控的高通量DNA合成公共服务平台。
“‘黑灯工厂’在制造业落地推广，我们的生物制造平台也顺应数字化、智能化趋势，集成了智能化设计软件、自动化合成工作站、闭环质量控制等智能化基础设施，实现了从引物合成到长片段基因组装的全流程无人值守、自动化运行。”沈玥说。
基于华大原创的微芯片大规模并行合成(mMPS)技术，单碱基合成成本降低约70%。成本的锐减，让DNA合成迈出了从“科研奢侈品”向“工业原料”转化的第一步。
2025年，工业和信息化部发布的《人工智能在生物制造领域典型应用案例名单(第一批)》中，基于该平台支撑的“蛋白质智能预测改造技术”入选。
中国科学院院士元英进评价，结合人工智能与自动化系统，mMPS技术将推动合成生物学在生物制造、医疗健康等领域的深度融合与产业落地。
在工业生物制造领域，基因合成技术让工业菌株与关键酶的改造无需等待自然传代，将周期从数月压缩至数周。基因合成改造出的高效“细胞工厂”可利用秸秆、葡萄糖等可再生原料，在常温常压下高效生产可降解塑料、生物燃料、精细化工品等，形成万亿级新兴产业。
“十五五”时期是我国生物制造产业发展的关键战略机遇期。华大集团通过颠覆性的技术攻关，实现了合成生物学“工业母机”的自主可控，并构建了“装备—平台—应用”创新体系，为我国生物制造产业全链条培育及创新发展筑牢了“硬核”技术底座。
