美股獨角獸：DNA合成生物學先驅，TwistBioscience

DNA數據存儲系統（比例尺：5mm） 

圖源：Science Advance（DOI: 10.1126/sciadv.abk0100）

這一“腦洞大開”的研究成果為未來高通量集成化自動化DNA存儲系統的開發打下瞭基礎。隨著大數據時代的到來，全球數據產生量正以指數形式激增，而以DNA分子為基礎的數據存儲系統被認為是解決未來“數據危機”的一個可行方案，也是BT解決IT問題的一個很好的例子。

對於DNA數據存儲這一未來賽道，嗅覺敏銳的創業者早已關註到其商業價值，而DNA合成領域的領導者Twist Bioscience（納斯達克股票代碼：TWST）就是其中之一。在2018年上市之前，基於DNA的數據存儲就已經是Twist計劃的一部分。2020年11月，Twist宣佈與全球基因測序巨頭Illumina、數據存儲業領頭羊Western Digital，以及微軟公司結成聯盟，共同推進DNA數據存儲領域的發展，創建一個全面的行業路線圖。2021年5月，Twist宣佈已成功在其開發用於數據存儲的DNA芯片上合成瞭200個堿基對的寡核苷酸。據悉，這些矽基芯片尺寸僅為1μm，該公司首席執行官兼聯合創始人Emily Leproust博士當時表示，這是一個相當大的成就，是有史以來在最小規模的矽基芯片上合成的最長DNA。不過該公司認為要想真正實現商業化，芯片的尺寸需要縮小至150nm，所以仍然有許多關鍵技術需要突破。

Twist Bioscience（拓唯思特生物科技）成立於2013年，是一傢領先且快速發展的合成生物學和基因組學公司，其顛覆性DNA合成平臺推動生物工程實現產業化，該公司開發的專有“矽基芯片”是他們DNA合成平臺的核心，也是所有業務的基礎，通過在矽芯片上“書寫”DNA，開創瞭制造合成DNA的新方法。

Twist的DNA合成平臺將傳統的化學DNA合成反應高度微型化，反應體積減少瞭100萬倍，同時將吞吐量提高1000倍，從而能夠在單個矽芯片上完整合成9600個基因；而在相同的物理空間中，傳統的合成方法隻能在96孔板上合成1個基因。同時，該高通量DNA合成技術平臺在很大程度上減少瞭試劑的使用，與傳統的寡核苷酸合成相比，可將試劑消耗減少99.8%，且合成產物在後續的組裝過程中幾乎實現零浪費。

該芯片與公司專有的軟件系統、可拓展的商業基礎設施以及電子商務平臺相結合，創建瞭一個集成的技術平臺。與同行相比，Twist將DNA合成的成本顯著降低，並保證瞭合成的質量、精度，實現自動化並提高瞭吞吐量。

傳統96孔板DNA合成（左）與Twist Bioscience矽芯片DNA合成平臺（右）對比

Twist正在利用其獨特的技術制造基於合成DNA的廣泛產品，包括合成基因、高通量測序（NGS）制備工具以及用於藥物開發的抗體文庫。同時，Twist還在DNA數據的數字化存儲和生物制品的開發方面尋求更長遠的機會。該公司的產品已廣泛應用於醫療保健、工業用化學品、農業和學術研究等諸多行業。

Twist現有的產品線衍生於合成生物學工具和NGS工具兩大版塊，主要包括：合成生物學產品、IgG蛋白、NGS工具、合成病毒控制與傳染病研究工具、藥物及靶點發現解決方案。

合成基因可應用於化學品/材料、食品/農業、治療、診斷、數據存儲的產品開發以及學術研究，合成基因主要包括兩種：一種是克隆基因，也被稱為攜帶DNA的載體，長度可達5000個堿基對；另一種是非克隆基因片段，可被放入載體中，長度可達1800個堿基對，錯誤率低至1:7500個堿基對。

寡核苷酸池（或引物池）可被應用於高通量靶向測序、CRISPR基因編輯、誘變實驗、DNA折紙術（DNA的納米級折疊以在納米級空間構建二維和三維形狀）、DNA中的計算與數據存儲等，以及用於研究細胞信號通路、基因調控和細胞調控元件結構的高吞吐量基因檢測。Twist提供多樣化、可定制的寡核苷酸池（或引物池），范圍從幾百個寡核苷酸到超過100萬個，並可提供長度可達300個核苷酸的寡核苷酸，錯誤率僅為1:2000個核苷酸。

基於Twist自動化合成平臺以及抗體發現的專業知識，公司為專註於藥物發現與開發的客戶推出瞭一種IgG蛋白產品。在抗體發現過程中，抗體片段必須重新組裝成為完整的IgG，Twist可高通量地提供IgG，以消除抗體發現過程中的這一瓶頸。

Twist的NGS產品主要用於通過液體活檢對各種適應癥進行診斷檢測，包括罕見病、SARS-CoV-2和癌癥。還可用於群體遺傳學研究和生物標志物的發現、轉化醫學、微生物學和應用市場研究。該部分客戶主要包括診斷公司和醫院、研究機構、農業生物技術公司和消費者遺傳學公司。此外，公司還可提供各種NGS工具，包括文庫制備試劑盒、人類外顯子組試劑盒、整合與定制的Panel、Twist高質量靶標富集Alliance Panel組合、用於癌癥、罕見病和遺傳性疾病研究的甲基化檢測試劑盒，以及快速雜交液。

為瞭應對COVID-19的快速傳播，Twist利用其DNA合成平臺推出瞭新的合成病毒對照產品線，提供全合成的SARS-CoV-2 RNA參考序列作為陽性對照，用於開發NGS檢測和反轉錄PCR （RT-PCR）檢測產品。Twist開發的SARS-CoV-2對照現已作為參考資料收錄在美國食品和藥物管理局網站上。除瞭SARS-CoV-2，該公司還提供廣泛的呼吸道病毒對照品，包括流感、呼吸道合胞病毒（RSV）、鼻病毒、SARS、MERS和其他冠狀病毒，為相應診斷試劑的開發與驗證提供質量控制，從而避免研究人員使用活病毒樣本。此外，還有SARS-CoV-2研究Panel，Twist呼吸道病毒Panel和泛病毒研究Panel，用於在科研場景中檢測病原體。該部分所有產品均可用於環境檢測與監測，同時還提供對完整序列信息的洞察，用於監測病毒進化和毒株來源。

Twist的技術平臺可定制每個抗體序列變異，並系統地構建一個精準的抗體文庫，以靶向整個目標區域。該公司可創建單氨基酸定點突變文庫（single-site libraries in which we change a single amino acid within the sequence）或單氨基酸定點飽和突變文庫（single-site saturation libraries in which we change every amino acid within the sequence）以提供更全面的抗體發現方法，還可按照特定的比例和組合在同一個基因上的多個位點引入突變，以創建組合文庫。這些文庫可用於抗體工程、親和力成熟和人源化，從而簡化下遊篩選並識別更多先導分子。

Twist還開發瞭全面的抗體優化解決方案，可以同時優化給定抗體的多個特性。利用公司專門開發的軟件程序，優化抗體靶向性，使其符合藥品開發的指定標準；並拓展瞭其高通量、高度多樣化的抗體文庫的能力。目前，該解決方案正在被Twist用於設計、構建、檢驗高度多樣化、嚴格控制的抗體文庫，經過篩選隻留下已知的存在於人類DNA中的序列，減少傳統優化方法所造成的缺陷，並創造瞭由許多不同的獨立文庫組成的“庫中庫”（“Library of Libraries”），這些抗體文庫具有天然的組成，有望產生更優的候選藥物，還具有高度的合成多樣性，可以同時優化多種抗體特性，並發現對藥物靶點具有高親和力和特異性的抗體。

2020年，Twist運用其Biopharma平臺開啟瞭抗體發現的工作，用於識別潛在的研究用抗體以診斷和治療COVID-19。Twist後來在活病毒中檢驗瞭幾種候選抗體，並將一組抗體通過臨床前研究繼續向前推進。2021年9月，CoVIC（冠狀病毒免疫治療聯盟，一傢聯通學術界與產業界的非盈利性合作研究機構）通過盲法試驗確認瞭Twist內部開發的抗體TB202-3完全阻斷瞭SARS-CoV-2刺突蛋白與人類ACE2受體結合。該研究結果發表於頂級學術期刊Science雜志（DOI: 10.1126/science.abh2315）。研究表明TB202-3可以與大多數已知突變相結合，除瞭Delta和Epsilon變體中存在的 L452R突變。除此之外，Twist還開發瞭一種新的納米抗體TB339-031，其結構和效價與TB202-3相似，且可以結合並中和Delta和Epsilon變體，目前正處於藥物早期發現的後期與驗證階段。

截圖自Science

Twist Bioscience旗下Twist Biopharma部門於2017年推出，在治療用生物制品的發現和早期開發階段提供端到端的解決方案，疾病領域涵蓋癌癥、神經科學、免疫腫瘤學、傳染性疾病、犬類/貓類疾病等，產品種類包含單抗、雙抗、納米抗體、ADC、工程化蛋白質等。該部門通過多種途徑與合作夥伴建立抗體發現計劃而獲得利潤，在這一過程中，Twist Biopharma根據需求針對一個或多個靶點快速開發高親和力的抗體。這些合作夥伴關系通常具有三個要素：

此外，對於Twist的內部開發工作，公司篩選出瞭幾個有潛力的靶點，並確定瞭針對這些靶點的抗體，公司計劃在臨床前開發的後期階段對這些化合物進行out-license，以優化預付款收入，並獲得更高的裡程碑付款和特許權使用費。通過將這些候選抗體out-license給生物技術產品開發和商業化方面的專傢，Twist則可以繼續專註於對公司專有技術平臺進行打磨和升級。迄今為止，Twist已經開發出瞭針對Adora 2a、GLP1R（激動劑和拮抗劑）、SARS-CoV-2、TIGIT、PD-L1、CXCR4、CD3以及幾個未公開靶點的抗體。

截至2021年12月31日，Twist Biopharma部門已與42傢合作夥伴建立瞭關系，有52個活躍的項目，39個已完成項目，其中50個項目包含裡程碑付款或特許權使用費。這些合作夥伴包括勃林格殷格翰、武田制藥、Adicet Bio、協和發酵麒麟（Kyowa Kirin）、Invetx、Neogene Therapeutics等。此外，Twist Biopharma還與提供互補技術的公司建立合作，以擴大該部門的機會與范圍。

2021年11月22日，Twist宣佈與Abveris公司達成最終協議，以1.9億美元收購Abveris，該公司是一傢私營的體內抗體發現服務公司，利用其專有的DiversimAb超免疫小鼠模型提供全面的抗體發現和表征服務，可與Twist的抗體優化解決方案相結合，以開發高質量生物制品，快速推動臨床開發，其資產中已有7款抗體進入臨床開發階段。

2021年11月15日，Twist宣佈已經成立一傢獨立運營的新型生物技術公司Revelar Biotherapeutics , Inc .。新公司將開發和商業化一款由Twist Biopharma部門發現並優化的雙特異性抗體RBT-0813，且Twist將為其提供1000萬美元作為種子資金。

臨床前研究顯示，RBT-0813可中和SARS-CoV-2病毒的所有已知變異株，包括Delta和Omicron變體。

RBT-0813的結構示意圖：綠色部分為納米抗體TB202-03，紫色部分為納米抗體TB339-031

圖源：BioRxiv

RBT-0813在體外結合並中和活病毒的數據已在BioRxiv預印本上發佈（doi: https://doi.org/10.1101/2022.01.04.474803），並將作為pre-IND材料遞交給FDA。

截圖自：BioRxiv

下圖為RBT-0813針對SARS-CoV-2病毒祖先譜系A（WA1,USA）、Delta和Omicron變體的中和曲線。RBT-0813中和SARS-CoV-2活病毒Delta和Omicron變體的半數有效濃度(EC50)分別為521.1 ng/ml和713.6 ng/ml，與葛蘭素史克和Vir Bio合作開發的新冠中和抗體Sotrovimab（VIR-7831）相當。（Sotrovimab分別在325 ng/ml和917 ng/ml的濃度下顯示出對Delta和Omicron變體的有效中和能力）

（doi: https://doi.org/10.1101/2022.01.04.474803）

預計RBT-0813將於2022年上半年遞交臨床試驗申請（據披露，該抗體被認為具有皮下給藥的潛力）。未來，Twist將有望從Revelar的COVID-19相關項目獲得高達1億美元的裡程碑付款以及商業化產品的中位個位數銷售分成。此外，Revelar將利用Twist Biopharma的抗體發現和優化平臺，在未來4年內獲得至多5個額外靶點的抗體許可權，Twist也有望從這些項目中獲得額外的裡程碑付款和特許權使用費。

Twist認為，將Revelar Biotherapeutics獨立出來符合其價值觀，以降低生物制品開發的風險以及選定靶點的合作開發風險。

當下，數據創建與存儲需求繼續以指數級增長，業界正在尋求發現新的存儲技術，使存儲能力提高100倍以上，而DNA數據存儲是實現高密度、經濟效益、可持續、節能的長期數據存儲的理想解決方案，讓海量數據實現“冷存儲”。目前，Twist開發的DNA數據存儲技術已經能達到GB級存儲水平，並使用尺寸小至1μm的集成DNA數據存儲芯片作為概念驗證。此外，公司正在著手設計TB級存儲水平的alpha集成芯片。

對於未來計劃，Twist也披露瞭一些最新的關鍵信息。當前，合成生物學產品與NGS產品為該公司核心增長來源，但在未來，藥物發現與DNA數據存儲將為Twist帶來新的機遇（詳情見下圖）。

最近，Twist的科學傢開發出瞭一種酶促合成DNA鏈的新方法（Twist酶促DNA合成3.0），利用其獨特的基因和突變體文庫合成和篩選能力，Twist開發出新型的酶/核苷酸偶聯物，與傳統酶促方法相比大大減少瞭核苷三磷酸（NTP）用量，從而顯著降低瞭成本，並帶來瞭一種更加可持續的合成方法。此外，Twist開發的酶與核苷酸之間的連接保持瞭DNA的完整性，在接頭分子的核苷堿基上沒有“疤痕”。這使得酶促產生的合成DNA鏈能夠與天然存在的DNA互換使用。

在NGS領域，Twist正與領先NGS公司PacBio和Singular Genomics建立合作，開發高通量測序產品，並為這兩個測序平臺定制瞭強大的靶標富集和文庫制備工作流程。

通過完成收購Abveris，Twist的Biopharma業務將更加整合，通過服務+Out-license +內部開發的模式，Twist將獲得更多合作夥伴、合作項目，以及裡程碑付款與特許權使用費；RBT-0813也將成為Twist首個內部自研開發進入臨床的抗體藥物，預計將於2022年開啟首個臨床試驗。

對於DNA數據存儲，Twist已制定瞭創新路線，目前Twist開發的DNA數據存儲技術已經從MB級達到GB級存儲水平，未來將開發TB級存儲解決方案，並探索更低成本的企業級存儲芯片。公司還透露，其開發的第一個可商業化的DNA數據存儲解決方案將是一個“世紀檔案”（Century Archive），可以存儲數據長達100年。

在制造方面，Twist在美國波特蘭地區的“未來工廠”預計將在2022年第三季度開始運營，到時產能將翻一番，並加速產品的周轉，有望成為未來的綠色工廠。

以下為全球范圍內，Twist目前的主要設施：

2021年11月22日，Twist公佈2021年全年財務業績（2020年10月1日至2021年9月30日），據披露：

按照產品劃分，2021財年，合成基因產品收入占公司總收入的29%；寡核苷酸池（或引物池）占6%；DNA與Biopharma文庫占10%；NGS工具占55%。

按地區劃分，2021財年，Twist在美洲地區（美國、加拿大、墨西哥和南美洲）的收入占總收入的59%；歐洲、中東和非洲地區的收入占33%；亞太地區（日本、中國、韓國、印度、新加坡、馬來西亞和澳大利亞）的收入占8%。

自2016年4月Twist推出其第一個合成基因和寡核苷酸池（或引物池）的應用，顛覆瞭基因合成市場並淘汰傳統的DNA合成方法。經歷瞭迅猛的發展，公司年收入和毛利潤正不斷增長，如下圖所示（單位：百萬，百分數除外）。

根據Twist最新披露，按季度分，各部分業務收入分佈如下（合成生物領域超級獨角獸公司Ginkgo Bioworks是Twist的大客戶，雙方曾創下該行業歷史上最大的供貨協議。）：

單位：百萬

2022年2月4日，Twist公佈2022年第一季度（2021年10月1日至2021年12月31日）財務業績，公司第一季度總收入達到瞭創紀錄的4200萬美元，同比增長49%；訂單總額同比增長48%，達到4960萬美元；截至2021年12月31日，公司的現金、現金等價物和短期投資共計4.087億美元。

同時，該公司上調瞭2022年業績指引：預計Twist在2022財年的業績有望達到1.89億美元至1.98億美元；其中，合成生物產品收入（包括Ginkgo Bioworks的訂單在內）預計將在7000萬美元至7200萬美元；NGS產品收入估計在9400萬美元至9600萬美元；Biopharma業務收入約為2500萬美元至3000萬美元。預計2022財年的毛利率將在35%至 37%（若不計入“未來工廠”設施上線相關的成本影響，則毛利率有望達到42%至44%）；運營費用預計3.35億美元，其中研發開支約為1.3億美元。

Twist首席執行官兼聯合創始人Emily Leproust博士是高通量合成和DNA測序的先驅。2020 年，BIO向她頒發瞭Rosalind Franklin領導獎。《外交政策》雜志將她評為全球100位領先思想傢之一，而《Fast Company》雜志則將她評為商界最具創造力的人物之一。

Emily Leproust博士 

圖源：University of Houston

她曾在休斯頓大學取得有機化學博士學位，並在法國裡昂工業化學學院取得工業化學碩士學位。在休斯頓大學期間，Emily Leproust是世界知名科學傢高曉連教授的得意門生，並與高教授共同開發瞭在固體介質上的DNA和RNA平行合成工藝，這在後來成為瞭基因芯片公司Xeotron的商業開發項目（Emily Leproust曾是Xeotron研發團隊中的一員）。

高曉連教授

圖源：聯川生物

據瞭解，在離開高曉連教授之後，Emily Leproust被惠普公司的分析儀器部門聘請，擔任生命科學部的技術總監。1999年，惠普將盈利強勁的分析儀器部門拆分，成立獨立公司，即日後大名鼎鼎的安捷倫科技。也因此，Emily Leproust作為CTO協助安捷倫開發出大獲成功的 SureSelect生產線，從而大大降低瞭測序成本。（Twist曾在2016年開始與安捷倫陷入專利糾紛，最終於2020年2月以Twist向安捷倫支付2250萬美元達成和解。）

2013年，Emily Leproust聯合矽芯片專傢Bill Banyai及微流控專傢Bill Peck共同創立瞭Twist Bioscience，實現瞭DNA的高通量合成。在接受外媒Drug Discovery World采訪時，Emily Leproust曾介紹道，使用Twist的技術合成一個堿基大約花費7~9美分，而在此之前，傳統的合成成本約為25美分一個堿基。公司開發並提供廉價的分子工具來推進合成生物學、藥物發現、高通量測序和DNA數據存儲等。2018年11月，Twist Bioscience正式登陸納斯達克，公開發售500萬股新股票，每股價格為14美元，完成總值為7000萬美元的IPO。

從左至右依次為Emily Leproust、Bill Banyai、Bill Peck 

圖源：Business Insider

參考：

NMPA/CDE；

藥融雲數據：www.pharnexcloud.com；

FDA/EMA/PMDA；

相關公司公開披露；

Electrochemical DNA synthesis and sequencing on a single electrode with scalability for integrated data storage，https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk0100；

Defining variant-resistant epitopes targeted by SARS-CoV-2 antibodies: A global consortium study，https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh2315；

A synthetic bispecific antibody capable of neutralizing SARS-CoV-2 Delta and Omicron，https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.04.474803v1.full；

https://news.seu.edu.cn/_t1892/2021/1118/c5527a391415/page.htm；

https://www.uh.edu/nsm/people/distinguished-alumni/；

http://development.uh.edu/blog/asking-all-the-right-questions-emily-leproust-01-top-global-thinker/；

測序界的混沌江湖|深挖NGS產業背後的叢林脈象；

Twist Bioscience官網、年報、最新企業展示；等等。