Trong lĩnh vực tổng hợp gen, 96 máy tổng hợp gen đã trở thành thiết bị cốt lõi của nghiên cứu khoa học và công nghiệp hóa nhờ vào thông lượng cao và lợi thế tự động hóa. Tuy nhiên, các lỗi như phối sai cơ sở, chèn/thiếu trong quá trình tổng hợp là khó tránh khỏi, làm thế nào để đảm bảo độ chính xác tổng hợp thông qua các thuật toán kiểm soát tỷ lệ lỗi và sửa lỗi, trở thành chìa khóa để đột phá công nghệ.

Cơ sở phần cứng để kiểm soát tỷ lệ lỗi

96 máy tổng hợp gen làm giảm tỷ lệ lỗi ban đầu thông qua thiết kế cơ khí chính xác và đổi mới khoa học vật liệu. Ví dụ, sử dụng công nghệ chip microfluidic để đạt được phân phối chính xác kích thước nano của thuốc thử, tránh ô nhiễm chéo; Sử dụng monome phosphamide có độ tinh khiết cao với vật liệu mang trơ để giảm các phản ứng phụ trong tổng hợp hóa học. Lấy ví dụ về dòng Dr. Oligo của Biolytic, kiểm soát tỷ lệ lỗi tổng hợp một bước dưới 0,01% bằng cách tối ưu hóa độ chính xác kiểm soát nhiệt độ (± 0,1 ° C) cho các bước như khử bảo vệ, ghép nối, oxy hóa.

Logic cốt lõi của thuật toán sửa lỗi

Đối với các lỗi còn lại, thuật toán sửa lỗi cho phép điều chỉnh chính xác thông qua chiến lược nhiều lớp:

Phân tích độ che phủ bên: Dựa trên phương pháp xây dựng nhánh động trong sửa lỗi giải trình tự DNA, phân tích các đoạn tổng hợp thành các l-tuple chồng chéo (chẳng hạn như trình tự "AGC-GCC-CCT" với l=3), xác định các đoạn sai có độ che phủ thấp bằng cách đếm tần suất mỗi l-tuple xuất hiện trong 96 lần tổng hợp song song (độ che phủ m(e)). Ví dụ: nếu độ che phủ l-tuple thấp hơn ngưỡng M, nó được đánh dấu là lỗi tiềm ẩn.

Path Merge&Replacement: Một biến đổi tương đương được thực hiện trên đường dẫn sai, hợp nhất các cạnh chính xác liên tiếp với các cạnh sai thành một đường dẫn duy nhất. Ví dụ, trong mô hình siêu mạch Euler, nếu phía trước và phía sau của cạnh sai e'là các cạnh chính xác x và y, hãy tìm cạnh chính xác e có độ khớp cao nhất với đường dẫn x-y bằng ước tính khả năng tối đa và thay thế e' để sửa lỗi.

Tối ưu hóa lặp lại nhiều vòng: Kết hợp với phản hồi giải trình tự NGS để theo dõi chất lượng tổng hợp theo thời gian thực. Nếu tỷ lệ lỗi kênh vượt quá chỉ tiêu, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh tỷ lệ tác nhân hoặc thời gian phản ứng của kênh đó để đạt được kiểm soát vòng kín.

Đột phá công nghệ và tác động của ngành

Thuật toán sửa lỗi của 96 máy tổng hợp gen đã đạt được độ chính xác tổng hợp duy nhất là 99,99%, hỗ trợ các ứng dụng quy mô hóa trong các lĩnh vực chỉnh sửa bộ gen, sinh học tổng hợp và các lĩnh vực khác. Ví dụ, trong tổng hợp nhiễm sắc thể nhân tạo, kỹ thuật này có thể giảm tỷ lệ lỗi lắp ráp của các mảnh dài (>10kb) từ 10-3 xuống dưới 10-6, giảm đáng kể chi phí sàng lọc tiếp theo. Cùng với sự hội nhập của thuật toán AI, hệ thống sửa lỗi trong tương lai có thể thực hiện tiến hóa tự chủ, thúc đẩy tổng hợp gen tiến tới mục tiêu "không sai".