化学法高通量DNA合成仪与合成芯片

DNA合成是合成生物学、基因组学、DNA信息存储、基因检测和生物医药研发的重要底层技术。传统柱式DNA合成方法一次只能合成有限数量的寡核苷酸，存在通量低、试剂消耗大、单序列成本高等问题，难以满足大规模基因合成和高通量生物制造的需求。

针对上述问题，团队将MEMS微纳制造、喷墨打印、微流控、纳米材料自组装和亚磷酰胺化学合成技术相结合，开展高通量DNA合成芯片及仪器研究。通过将皮升级合成试剂精准分配至高密度微反应器阵列，可在单片芯片上并行合成大量不同序列，大幅降低单条寡核苷酸的试剂用量和综合成本。

目前，团队已研制喷墨打印DNA合成仪样机，并完成4英寸硅晶圆高通量合成芯片验证。据团队展示资料，一代芯片已实现单晶圆15万以上反应位点，下一代芯片面向单载玻片百万级通量进行设计。与此同时，团队通过多孔反应器、纳米颗粒自组装和三维反应界面构建，在不明显降低合成通量的条件下提高单个反应位点的合成载量，为芯片产物直接用于基因组装、引物合成、NGS建库和DNA信息存储奠定基础。

研究内容

  1. 1.高通量DNA合成芯片与仪器

    研究面向亚磷酰胺化学合成的高密度微反应器阵列，开发皮升级喷墨分液、芯片精密定位、阵列动态校准、三坐标视觉检测及环境控制技术，实现脱保护、偶联、封闭和氧化等合成步骤的自动循环。通过仪器、芯片和控制软件协同设计，提高不同反应位点之间的加液一致性及合成稳定性。

  2. 2.高通量与高载量兼容的三维反应界面

    针对传统平面芯片单个位点载量低的问题，团队利用二氧化硅纳米颗粒自组装、多孔PDMS和微反应器阵列，在有限芯片面积内构建三维合成界面。相关研究已验证纳米颗粒限域自组装能够提高寡核苷酸合成载量，并可通过调节颗粒尺寸、浓度和自组装层数对载量进行控制。

  3. 3.高收率DNA合成与反应条件控制

    围绕DNA合成过程中试剂挥发、相邻位点串扰、水氧污染、反应传质和偶联效率等问题，研究纳米颗粒抑制微液滴挥发、微孔物理隔离、功能聚合物固定以及金纳米颗粒复合载体等技术。团队还开展了高收率电化学DNA合成研究，以进一步降低试剂消耗并提高空间选址能力。

  4. 4.合成质量检测与应用验证

    建立原位荧光杂交、PAGE凝胶电泳、质谱及PCR扩增等质量评价方法，对合成序列长度、准确性、产率和位点一致性进行验证。合成产物未来可用于引物合成、基因组装、NGS建库、高通量筛选、DNA数据存储及合成生物学研究。

代表性论文

  1. [1].Li X., Fu D., Wang X., Zhao C., Chen S., Li D. Microwell-arrayed chip with confined self-assembly of silica nanoparticles for high-capacity DNA synthesis. Chemical Engineering Science, 2026, 320: 122363.

  2. [2].Yu H., Lu Z., Li D., Yuan Y., Liu Q. Random access elevates DNA from a storage medium to a storage system. Trends in Biotechnology, 2026, online ahead of print.

  3. [3].Su X., Yu H., Sun C., Sun Z., Li X., Li D. Microzone Melting Method of Porous Reactor Fabrication with Structure-Controlled Microchannel Networks for High Yield In Situ DNA Synthesis. ACS Applied Polymer Materials, 2024, 6(1): 350–361.

  4. [4].Su X., Li X., Zhang Y., Guo Q., Zhang X., Yu H., Li D. Three-phase contact line confined dense nanoparticle array for high-capacity DNA synthesis. Chemical Engineering Science, 2023, 281: 119135.