DNA合成装置与合成方法与流程

dna合成装置与合成方法
技术领域
1.本发明涉及dna合成技术领域，特别是涉及dna合成装置与合成方法。


背景技术：

2.人工合成dna是目前已知的定向改造基因序列的唯一途径，其被广泛应用于蛋白质改造和生命科学等多个领域，例如核酸药物、酶工程、基因治疗等。进行合成时，常用的方法为将核酸合成载体置于合成柱内，向合成柱内依次通入不同的试剂，使核酸合成载体依次与各种试剂进行反应，以得到最终产物。然而，在相关技术中，一些dna合成装置进行dna合成时，核酸合成载体无法充分与试剂进行反应，合成率较低。


技术实现要素：

3.基于此，本发明提出一种dna合成装置，能够使核酸合成载体更加充分的与试剂进行反应，从而提高合成率。
4.dna合成装置，包括：
5.合成柱，所述合成柱的内部形成有反应腔体，所述反应腔体用于容纳核酸合成载体；
6.试剂输入组件，所述试剂输入组件用于向所述反应腔体内输入试剂；
7.进气组件，所述进气组件包括进气件与气源，所述气源用于提供气体，所述进气件与所述合成柱连接，所述气体经所述进气件进入所述反应腔体，以振荡所述反应腔体内的所述核酸合成载体与试剂；
8.试剂排出组件，所述试剂排出组件用于将所述反应腔体内结束反应的试剂排出。
9.在其中一个实施例中，所述进气件与所述合成柱的连接位置位于所述反应腔体的一侧，所述试剂输入组件位于所述反应腔体的上方。
10.在其中一个实施例中，所述合成柱包括主体部与伸出部，所述伸出部从所述主体部的一侧朝外伸出，所述主体部的内部形成所述反应腔体，所述伸出部的内部中空且与所述反应腔体连通，所述进气件与所述伸出部连接。
11.在其中一个实施例中，所述进气件经所述伸出部伸入至所述反应腔体沿径向的中心位置。
12.在其中一个实施例中，所述进气件的气体输出通道的内径小于2mm，例如可以为1.55mm，0.84mm，0.61mm，0.26mm，0.10mm或0.06mm。
13.在其中一个实施例中，所述进气件包括鲁尔接头与进气针，所述鲁尔接头与所述进气针固定连接，所述进气针插入所述伸出部且二者过盈配合。
14.在其中一个实施例中，所述试剂排出组件连接于所述合成柱，所述试剂排出组件包括抽吸件，所述反应腔体内设置有滤芯；反应状态下，所述滤芯能够阻碍所述试剂与所述核酸合成载体流出；排出状态下，所述抽吸件能够对所述反应腔体进行抽吸，以使所述试剂流经所述滤芯排出。
15.在其中一个实施例中，所述试剂排出组件连接于所述合成柱，所述试剂排出组件包括阀门，所述反应腔体内设置有滤芯，所述阀门设置于所述滤芯的下方；反应状态下，所述阀门关闭，以阻碍所述试剂与所述核酸合成载体流出；排出状态下，所述阀门打开，以使所述试剂流经所述滤芯排出。
16.在其中一个实施例中，所述dna合成装置还包括转盘，所述试剂输入组件包括多个沿圆周方向分布的试剂输入件，所述合成柱与所述转盘固定连接，所述合成柱在所述转盘的带动下转动至各个所述试剂输入件所在区域。
17.在其中一个实施例中，所述dna合成装置包括多个沿圆周方向分布的所述合成柱，多个所述合成柱均与所述转盘固定连接。
18.在其中一个实施例中，所述进气组件还包括进气管，所述进气管的一端与所述气源连接，另一端穿过所述转盘的中心区域后与所述进气件连接，所述进气件位于所述转盘的中心区域与所述合成柱之间。
19.上述dna合成装置，合成柱的内部形成有反应腔体，该反应腔体内可以容纳核酸合成载体，反应所需的试剂通过试剂输入组件输入至反应腔体内，与核酸合成载体进行反应，反应结束后，试剂通过试剂排出组件排出反应腔体。进气组件的气源可以提供气体，气体经进气件进入反应腔体，气体在反应腔体内对试剂进行振荡搅动，从而将沉积于试剂底部的核酸合成载体吹起，使其尽量混悬于试剂中，从而增大核酸合成载体上能够与试剂接触的面积，尽量使核酸合成载体表面的全部结合位点都与试剂接触并进行反应，从而提高合成率。此外，这种通过气体振荡搅拌的方式可以使搅拌位置更加精准。
20.本发明还提出一种dna合成方法，包括如下步骤：
21.s10向反应腔体内加入核酸合成载体；
22.s20向所述反应腔体内加入试剂；
23.s30向所述反应腔体内通入气体，以震荡混合所述反应腔体内的所述核酸合成载体与所述试剂；
24.s40将所述试剂排出所述反应腔体；
25.s50重复s20至s40多次。
26.上述dna合成方法，气体在反应腔体内对试剂进行振荡搅动，从而将沉积于试剂底部的核酸合成载体吹起，使其尽量混悬于试剂中，从而增大核酸合成载体上能够与试剂接触的面积，尽量使核酸合成载体表面的全部结合位点都与试剂接触并进行反应，从而提高合成率。此外，这种通过气体振荡搅拌的方式可以使搅拌位置更加精准。
附图说明
27.图1为本发明一实施例中的dna合成装置的部分结构示意图；
28.图2为图1中dna合成装置的转盘与合成柱处的结构示意图；
29.图3为图1中dna合成装置的合成柱与滤芯的剖视图；
30.图4为图1中dna合成装置的合成柱、进气件与滤芯的剖视图。
31.附图标记：
32.转盘100；
33.合成柱200、主体部210、反应腔体211、伸出部220；
34.试剂输入件310、试剂输入阀门320、输入管330；
35.进气件410、鲁尔接头411、进气针412、进气管420、进气阀门430、流量计440、调压阀450；
36.滤芯510、试剂排出阀门520、排出管530。
具体实施方式
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
38.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
40.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
42.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
43.参阅图1至图3，图1为本发明一实施例中的dna合成装置的部分结构示意图，图2为图1中dna合成装置的转盘与合成柱处的结构示意图，图3为图1中dna合成装置的合成柱与滤芯的剖视图。本发明一实施例提供的dna合成装置包括合成柱200、试剂输入组件、进气组件与试剂排出组件等部件。合成柱200的内部形成有反应腔体211，反应腔体211用于容纳核酸合成载体，反应之前，将适量的核酸合成载体被放置于反应腔体211内。试剂输入组件用
于向反应腔体211内输入试剂，试剂进入反应腔体211后将会与核酸合成载体反应，结合至核酸合成载体表面的结合位点。如本领域技术人员所熟知的，寡核苷酸固相合成每个循环包括四个步骤：去保护、偶联、加帽和氧化，每个循环都需要向合成柱200内依次通入不同的试剂，每种试剂反应结束后，需要将其及时排出反应腔体211，多个循环即可在核酸合成载体得到预期长度的核酸。本实施例中，通过试剂排出组件将反应腔体211内结束反应的试剂排出。进气组件包括进气件410与气源，气源用于提供气体，进气件410与合成柱200连接，气源提供的气体可以流经进气件410进入反应腔体211内。气体进入反应腔体211时，将会振荡搅拌反应腔体211内的核酸合成载体与试剂，将核酸合成载体吹起。
44.如本领域技术人员所熟知的，核酸合成载体通常为粉末颗粒状，当试剂进入反应腔体211后，核酸合成载体会沉积于试剂的底部，堆积于内部的部分核酸合成载体可能难以与试剂充分接触并进行反应，与合成柱200的内壁接触的部分核酸合成载体与试剂的接触面积也较为受限。本实施例中，气体在反应腔体211内对试剂进行振荡搅动，可以将沉积于试剂底部的核酸合成载体吹起，使其尽量混悬于试剂中，以增大核酸合成载体上能够与试剂接触的面积，尽量使核酸合成载体表面的全部结合位点都与试剂接触并进行反应，从而提高合成率。此外，这种通气体进行振荡搅拌的方式可以使搅拌位置更加精准。可以通过人为设计，使气体进入试剂的位置处于合成率较低的区域，从而较大幅度的提升合成率。与常规的机械搅拌或磁力搅拌等方法相比，本发明的气体搅拌方式，能够实现搅拌程度的微量调控，精度更高。
45.具体地，在一些实施例中，前述的核酸合成载体可以为磁性核酸合成载体，例如表面包被有cpg的磁珠，磁性核酸合成载体粒径优选为0.5μm～100μm，例如可以是0.5μm、5μm、10μm、20μm、50μm、70μm、100μm。当然，在另一些实施例中，核酸合成载体也可以为其他类型的能与核酸可逆性结合的物质。
46.气源提供的气体需要满足化学性质较稳定，不会与试剂发生反应，也不会与核酸合成载体发生反应等条件。气体没有特殊限制，可以为空气、氧气、惰性气体，如氩气等，也可以为氢气等。具体地，在一些实施例中，该气体可以选用氮气。当然，在另一些实施例中，该气体也可以选用惰性气体，例如氦气、氩气等。
47.在一些实施例中，进气件410与合成柱200的连接位置位于反应腔体211的一侧，试剂输入组件位于反应腔体211的上方。如此设置可以使进气件410与试剂输入组件二者分别位于合成柱200外的不同位置，二者的安装位置不会发生干涉，以保证试剂能够顺利加入，以及通入气体进行振荡。具体地，合成柱200的顶部呈敞口状，试剂输入组件从合成柱200的顶部朝反应腔体211内添加试剂。气体流经进气件410进入反应腔体211时，会从反应腔体211的一侧进入，并从合成柱200的顶部流出。优选地，进气件410与合成柱200的连接位置位于合成柱200上端1/5～1/2处，例如1/4处。
48.优选地，在一些实施例中，进气件410与合成柱200的连接位置位于反应腔体211的一侧，并且进气件410向上倾斜。此处的向上倾斜是指进气件410的入口端位于出口端的外侧，且入口端位于出口端的上方，出口端即与合成柱200的连接位置。如此设置，当气体流经进气件410进入反应腔体211时，会朝下倾斜的冲击试剂。优选地，进气件410与合成柱200的轴向角度在15
°
～75
°
，可以为15
°
，30
°
，45
°
，60
°
。具体地，气体冲击试剂的方向为从外向内，并且从上向下，这样可以造成较大的冲击力，将沉积于试剂底部的核酸合成载体尽量多的
吹起，并且还能在反应腔体211的底部拐角处形成小的涡流，减少死角，使这些区域的核酸合成载体也能被吹起，如此，可以进一步提高合成率。
49.参阅图3与图4，图4为图1中dna合成装置的合成柱、进气件与滤芯的剖视图。优选地，在一些实施例中，进气件410插入至反应腔体211内。如此设置可以使进气件410的出气口位于试剂内部，可以使出气口所在区域的振荡搅拌幅度更加剧烈，并且可以更加精准的对合成率较低的区域进行振荡搅拌；在一些实施例中，出气口位于合成柱200的轴线上，且距离滤芯上表面1mm～1cm。气体进入试剂后，将会溢出气泡，这些气泡从合成柱200的顶部溢出。优选地，在一些实施例中，进气件410插入试剂的底部，如此，可以进一步增大振荡搅拌幅度。
50.在一些实施例中，合成柱200包括主体部210与伸出部220，伸出部220从主体部210的一侧朝外伸出，主体部210的内部形成反应腔体211，伸出部220的内部中空且与反应腔体211连通，进气件410与伸出部220连接。具体地，伸出部220向上倾斜，即伸出部220上与进气件410连接的一端位于伸出部220上与主体部210连接的一端的上方。进气件410穿过伸出部220进入反应腔体211内的试剂中。如前所述，这样设置可以造成较大的冲击力，将沉积于试剂底部的核酸合成载体尽量多的吹起，并且还能在反应腔体211的底部拐角处形成小的涡流，减少死角，使这些区域的核酸合成载体也能被吹起，从而进一步提高合成率。优选地，在一些实施例中，在竖直向下的方向上，主体部210的径向尺寸逐渐减小，即主体部210呈漏斗状，主体部210的上方尺寸较大，可以便于将试剂加入反应腔体211内。优选地，在一些实施例中，主体部210与伸出部220一体成型为一个整体，如此设置时，二者之间无需采用额外的密封结构进行密封，结构较为简单。优选地，在一些实施例中，主体部210与伸出部220可以通过注塑一体成型。
51.在一些实施例中，进气件410经伸出部220伸入至反应腔体211沿径向的中心位置。因此，进气件410的出气口将会位于径向上试剂的中心区域，如此，可以使出气口周围区域尽量都处于振荡搅拌范围内，减少出现死角的几率，使核酸合成载体能尽量全部被吹起，从而使合成率更高。
52.在一些实施例中，主体部210上连接有多个伸出部220，可以通过多个伸出部220朝反应腔体211内不同区域通入气体进行振荡搅拌，以加剧搅拌幅度，进一步提高合成率。优选地，在一些实施例中，多个伸出部220沿圆周方向均匀分布于主体部210的侧壁上，每个伸出部220内均伸入有一个进气件410，多个进气件410伸入试剂内的位置的连线呈环形。如此设置可以较为均匀的对试剂内各个区域进行振荡搅拌。
53.参阅图1、图3与图4，在一些实施例中，进气件410包括鲁尔接头411与进气针412，鲁尔接头411与进气针412固定连接，进气针412插入伸出部220且二者过盈配合。具体地，鲁尔接头411与进气管420连接，气体经进气管420进入鲁尔接头411，进而流经进气针412进入反应腔体211内。如前所述，合成柱200可以通过注塑成型制造，合成柱200具有一定的微弹性，以使得进气件410能够卡于伸出部220内，安装时，只需要将进气件410塞入伸出部220内即可，装配较为简便。并且鲁尔接头411为标准件，直接购买即可，无需专门制造。优选地，进气针412选用化学性质较为稳定且耐腐蚀性好的特氟龙材质，以保证进气针412不会受到试剂腐蚀，也不会对试剂造成污染。
54.在一些实施例中，试剂排出组件连接于合成柱200，试剂排出组件包括抽吸件，反
应腔体211内设置有滤芯510；反应状态下，滤芯510能够阻碍试剂与核酸合成载体流出；排出状态下，抽吸件能够对反应腔体211进行抽吸，以使试剂流经滤芯510排出。具体地，滤芯510孔径范围为0.4μm
‑
0.6μm，该滤芯510疏水且可以透气。滤芯510位于主体部210的底端区域，并与主体部210的内壁过盈配合。由于滤芯510具有疏水性，且孔隙较小，因此，反应状态下，在未施加外力时，滤芯510可以将反应腔体211的底端封闭，使试剂与核酸合成载体被封存于反应腔体211内进行反应。当反应完成后，排出状态下，通过抽吸件从滤芯510的下方对反应腔体211进行抽吸，抽吸时形成的负压吸附会使反应腔体211内的试剂朝下流动，流经滤芯510上的孔隙而排出反应腔体211。核酸合成载体的尺寸大于滤芯510上的孔隙尺寸，因此，通过抽吸件进行负压吸附时，核酸合成载体会依然留存于反应腔体211内，被滤芯510阻挡。在一个具体地实施例中，选用直径3.8mm，厚度3.3mm厚的ppfe作为滤芯510。具体地，合成柱200的底端连接有排出管530，排出管530与抽吸件连接，且在排出管530上设置有试剂排出阀门520。打开试剂排出阀门520，便可使排出管530导通，打开抽吸件，即可通过排出管530从滤芯510的下方对反应腔体211进行抽吸，从而使试剂经排出管530排出。具体地，试剂排出阀门520可以选用电磁阀。上述实施例中，通过滤芯510来实现对试剂的阻隔与排出，使得结构较为简单，并且操作非常方便，需要排出试剂时，只需要打开试剂排出阀门520与抽吸件即可。
55.在另一些实施例中，试剂排出组件连接于合成柱200，试剂排出组件包括阀门，反应腔体211内设置有滤芯510，阀门设置于滤芯510的下方；反应状态下，阀门关闭，以阻碍试剂与核酸合成载体流出；排出状态下，阀门打开，以使试剂流经滤芯510排出。具体地，滤芯510位于主体部210的底端区域，并与主体部210的内壁过盈配合。反应状态下，将阀门关闭，即可将反应腔体211的底端封闭，使试剂与核酸合成载体被封存于反应腔体211内进行反应。当反应完成后，排出状态下，打开阀门时，试剂将会流经滤芯510上的孔隙而排出反应腔体211。核酸合成载体的尺寸大于滤芯510上的孔隙尺寸，因此，核酸合成载体会被滤芯510阻挡于滤芯510的上方。在本实施例中，滤芯510并非疏水材质，在未施加外力时，试剂也可以流经滤芯510。本实施例中，部分试剂可能会流经滤芯510到达滤芯510与阀门之间的间隙处。优选地，可以使阀门的顶面与滤芯510的底面接触，即尽量减小滤芯510与阀门之间的间隙，从而使试剂尽量都位于滤芯510的上方与核酸合成载体反应，从而提高合成率。
56.参阅图1，在一些实施例中，dna合成装置还包括转盘100，试剂输入组件包括多个试剂输入件310，多个试剂输入件310沿转盘100的圆周方向分布。合成柱200与转盘100固定连接，合成柱200在转盘100的带动下转动至各个试剂输入件310所在区域。具体地，合成柱200固定于转盘100的顶部，试剂输入件310通过输入管330与试剂瓶连接，在输入管330上设置有试剂输入阀门320，可以通过调节试剂输入阀门320实现输入管330的连通与断开。当转盘100转动时，将会带动合成柱200同步转动，从而依次到达各个试剂输入件310的下方。当合成柱200转动至某一试剂输入件310的下方时，该试剂输入件310可以向合成柱200内加入对应的试剂。当该步反应完成，只需按照前述方式排出试剂，再转动转盘100，将合成柱200运输至下一步反应对应的试剂输入件310的下方即可。如此设置，可以较为方便快捷的完成各个反应步骤。优选地，合成柱200位于转盘100上靠近边缘的区域，如此设置，可以使多个试剂输入件310围成的圆形的半径较大，各个试剂输入件310沿周向的间距可以更大，排布不会过于拥挤，相互之间不易出现位置干涉。
57.进一步地，在一些实施例中，dna合成装置包括多个沿圆周方向分布的合成柱200，多个合成柱200均与转盘100固定连接。多个合成柱200围成的圆形的半径与多个试剂输入件310围成的圆形的半径相等。当转盘100转动时，将会带动多个合成柱200同步转动，分别到达对应的试剂输入件310的下方进行试剂添加。转盘100每次转动的角度与相邻的合成柱200的夹角相同。例如，转盘100转动一定角度时，第一个合成柱200到达至第一个试剂输入件310的下方，第一个试剂输入件310对第一个合成柱200内添加第一种试剂，并进行相应的反应。当转盘100继续转动一定角度，第一个合成柱200到达至第二个试剂输入件310的下方，第二个试剂输入件310对第一个合成柱200内添加第二种试剂，并进行相应的反应；与此同时，与第一个合成柱200相邻的第二个合成柱200到达至第一个试剂输入件310的下方，第一个试剂输入件310对第二个合成柱200内添加第一种试剂，并进行相应的反应。通过这种设置，可以实现流水线式作业，使得多个合成柱200可以同步进行各自的反应，效率可以大幅提升。
58.在一些实施例中，进气管420的一端与气源连接，另一端穿过转盘100的中心区域后与进气件410连接，进气件410位于转盘100的中心区域与合成柱200之间。如此设置可以使进气件410不会占用转盘100径向范围以外的位置，使部件排布更加紧凑，更加节省空间。具体地，进气管420的顶端穿过转盘100的中心区域后与进气件410连接，底端与气源连接，在进气管420上设置有进气阀门430、流量计440、调压阀450等部件。调压阀450可以调节气源输出的气体压力，以获得较为合适的振荡搅拌幅度。通过调节流量计440的参数，可以使气体以较适当的速度流动。当进气件410伸入试剂内部时，优选地，可以调节流量以使得气体进入试剂时形成连续不断的小气泡。在反应完成无需振荡搅拌时，可以关闭进气阀门430，停止气体输入。
59.在一些实施例中，本发明还提出一种dna合成方法，包括如下步骤：
60.s10向反应腔体内加入核酸合成载体；
61.s20向所述反应腔体内加入试剂；
62.s30向所述反应腔体内通入气体，以震荡混合所述反应腔体内的所述核酸合成载体与所述试剂；
63.s40将所述试剂排出所述反应腔体；
64.s50重复s20至s40多次。重复时，每次可以添加不同的试剂。
65.该dna合成方法中，气体在反应腔体211内对试剂进行振荡搅动，从而将沉积于试剂底部的核酸合成载体吹起，使其尽量混悬于试剂中，从而增大核酸合成载体上能够与试剂接触的面积，尽量使核酸合成载体表面的全部结合位点都与试剂接触并进行反应，从而提高合成率。此外，这种通过气体振荡搅拌的方式可以使搅拌位置更加精准。
66.机械搅拌和磁力搅拌在搅拌过程中，可能会存在搅拌盲区，而本发明通过调整气体的通入角度、气体进入试剂的位置与滤芯510的间距以及气体的流量，带动合成柱200反应腔体211中全方位液体的流动，使载体和试剂的混合更加均匀，从而提高产物的均一性，进一步提高收率。
67.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
68.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。