一個(gè)不超過(guò)信yong卡大小的硅基芯片上,密密麻麻陣列分布著(zhù)幾千萬(wàn)個(gè)“小室”。小室中正釋放噼啪的熒光。每一粒“珍珠”的串入,就會(huì )激發(fā)出相應熒光,熒光顏色提示了“珍珠”的排列,其對應的DNA密碼就此解讀出來(lái)。
“珍珠”是DNA的基本單元——核苷酸,上有4種堿基,人們?yōu)閴A基加上對應的4種顏色,傳遞出密碼信息。為了解讀人類(lèi)基因組中的核苷酸密碼,十幾個(gè)國家集中力量對其進(jìn)行破譯,即“人類(lèi)基因組計劃”,高通量測序技術(shù)的出現終結了漫長(cháng)、浩大的測序工程時(shí)代。
截至目前,高通量測序有不同的技術(shù)路線(xiàn)。美國Illumina公司在市場(chǎng)和技術(shù)上均占有壟斷地位。我國華大智造在后發(fā)劣勢的情況下,通過(guò)技術(shù)引進(jìn)和創(chuàng )新,采取不同的技術(shù)路線(xiàn),換道邁進(jìn)更快、更準的測序“金標準”。
熒光在百層“轉梯”上“炫舞”
1個(gè)DNA分子激發(fā)出的熒光很微弱,易受背景干擾,難以準確檢測。就像一個(gè)人的聲音很難被聽(tīng)清楚,幾百、幾千人同時(shí)吶喊才能更準確地傳遞信息。
為了“聽(tīng)”懂DNA,必須放大信號。方法是復制出幾百個(gè)同樣的序列,同步反應,同步釋放熒光,如同千百人一同吶喊。
傳統的方法是用PCR(聚合酶鏈式反應)復制出這“千百人”。華大智造測序儀產(chǎn)品經(jīng)理汪婧婧博士解釋?zhuān)琍CR會(huì )把DNA雙鏈像筷子一樣分開(kāi),每根筷子再去復制,1變2、2變4,n輪之后,達到放大2的n次方的目標。
理論很好,現實(shí)很骨感。PCR技術(shù)本身的不完善,使得復制的DNA會(huì )出錯,“和聲”中一旦出現“濫竽充數者”,將難以檢測準確。
PCR的不完善在于兩個(gè)方面。一個(gè)是錯誤累積。PCR的復制是傳遞復制,就像綜藝節目里的“傳遞模仿”,只要其中一環(huán)出錯,會(huì )學(xué)得越來(lái)越走樣,傳遞下去的錯誤序列也會(huì )“累積”。
另一個(gè)方面是,PCR中*的聚合酶會(huì )出錯。就像人累了會(huì )疏忽大意一樣,聚合酶如果不停裝配,“疲了”也會(huì )不時(shí)出錯。
有什么辦法能夠擺脫PCR的這些短板?“如果只復制原版,那么錯誤累積的問(wèn)題就會(huì )解決。”汪婧婧說(shuō)。
華大智造采用了滾環(huán)擴增技術(shù)。“單鏈成環(huán)是第一步。在連接酶的作用下,會(huì )讓DNA片段呈環(huán)形。”汪婧婧說(shuō),其中的連接酶、試劑和反應條件都是多次試驗的*結果。
合成新酶促成精妙滾環(huán)
“滾環(huán)復制是指復制出千百條DNA,均以這個(gè)環(huán)形DNA為模板。”汪婧婧解釋?zhuān)繚L出一圈,下一圈會(huì )“踢走”上一圈。如此往復,就像用轉筆刀削鉛筆的動(dòng)作,復制好的DNA會(huì )螺旋下來(lái),最終得到經(jīng)過(guò)復制“擴大”的DNA鏈。
“基于物理原理,它在測序的小室里會(huì )自然地團成球狀。”汪婧婧說(shuō),“我們稱(chēng)之為納米球。”但如果“拎”起來(lái),就會(huì )像一條百余層的旋轉樓梯,每層旋轉的DNA序列相同,完成了信號放大。
“之所以能夠完成這樣精妙的合成動(dòng)作,是因為選擇了恰當的酶。”汪婧婧說(shuō),研究團隊通過(guò)酶工程的手段按需制造出了保真性*的聚合酶。
酶的選用十分重要。每次的讀長(cháng)、生化的反應速度……單個(gè)小室里會(huì )發(fā)生什么,與酶的選用息息相關(guān)。汪婧婧介紹,團隊通過(guò)熟悉酶與DNA的相互作用關(guān)系,通過(guò)設計酶的結構,包括蛋白組成、1、2、3級的折疊結構等來(lái)對酶的性能進(jìn)行操作,并通過(guò)工程菌表達出來(lái)。
不只如此,還要優(yōu)化數以百萬(wàn)計的反應條件,尋找酶活躍的環(huán)境,使生化反應時(shí)間可以縮短到1分鐘以?xún)取?/p>
“我們的設備讀長(cháng)是慢慢提高的。”汪婧婧說(shuō),最開(kāi)始一個(gè)小室里一次只能讀50個(gè)堿基,直到現在能夠讀到最長(cháng)的400個(gè)堿基,都是在摸索中不斷變長(cháng)的。
“這是我們的自有秘方。”汪婧婧說(shuō),從最初收購CG公司獲取核心技術(shù),實(shí)現核心工具的自主可控,到真正擁有自己的核心技術(shù),以及與之相匹配的試劑、材料、生化反應體系等一系列的系統技術(shù),華大智造不斷推出經(jīng)受得住市場(chǎng)檢驗和比較的產(chǎn)品,追趕并進(jìn)一步實(shí)現對競爭對手的超越。
2018年10月,英國政府宣布將開(kāi)展500萬(wàn)人基因組計劃。牛津大學(xué)流行病學(xué)教授陳錚鳴介紹,英國方面對華大測序技術(shù)和其他企業(yè)提供的技術(shù)做了比較,為他們提供同樣的序列進(jìn)行測序,華大測序的測序結果表現優(yōu)秀。他認為,英國政府歡迎競爭的存在,因為那樣才能保證項目能以較低的價(jià)格獲得*的服務(wù)。
創(chuàng )新繼續,不讓堿基受損
在測序儀研發(fā)領(lǐng)域,業(yè)內認為新一代的納米孔技術(shù)也很有潛力,它拋棄了熒光檢測需要信號放大的弱點(diǎn),轉用直接識別物理電信號來(lái)判斷DNA的“聲音”,或許會(huì )帶來(lái)新的迭代。“現在的問(wèn)題仍舊是其準確率和效率。”陳錚鳴說(shuō),因為效率意味著(zhù)成本,而成本決定能不能推廣。
在瞄準運用更新一代技術(shù)進(jìn)行戰略規劃的同時(shí),華大智造仍在繼續創(chuàng )新,把現有技術(shù)用得更純熟,滿(mǎn)足不同的測序需求。
“人們在堿基上加了熒光基團,可能會(huì )讓堿基受到損傷,所以才不能提高讀長(cháng)。”汪婧婧表示,那么如果不讓堿基受損傷,會(huì )不會(huì )進(jìn)一步改良高通量測序技術(shù)呢?為此,華大智造發(fā)明了熒光與堿基結合的新方法——用抗體作為媒介。“抗體是一種蛋白,DNA會(huì )和蛋白特異性相連。”汪婧婧說(shuō),團隊在抗體上連接熒光,再通過(guò)抗體與4種堿基的特異性結合,也實(shí)現了對4種堿基的識別。這一技術(shù)將進(jìn)一步提高讀長(cháng)及測序的準確性。
“測序技術(shù)始終有更高的目標,更快、更精準、更便宜。”汪婧婧說(shuō),無(wú)論哪種技術(shù),鉆得越精深,越能達成目標。每種技術(shù)路徑都可能是對的,關(guān)鍵在于有沒(méi)有工匠精神,完成對整個(gè)體系的精雕細刻。
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