一顆“納米球”打破基因測序關鍵技術壟斷

一個不超過信yong卡大小的硅基芯片上，密密麻麻陣列分布著幾千萬個“小室”。小室中正釋放噼啪的熒光。每一粒“珍珠”的串入，就會激發出相應熒光，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。

  “珍珠”是DNA的基本單元——核苷酸，上有4種堿基，人們為堿基加上對應的4種顏色，傳遞出密碼信息。為了解讀人類基因組中的核苷酸密碼，十幾個國家集中力量對其進行破譯，即“人類基因組計劃”，高通量測序技術的出現終結了漫長、浩大的測序工程時代。

截至目前，高通量測序有不同的技術路線。美國Illumina公司在市場和技術上均占有壟斷地位。我國華大智造在后發劣勢的情況下，通過技術引進和創新，采取不同的技術路線，換道邁進更快、更準的測序“金標準”。

   熒光在百層“轉梯”上“炫舞”

   1個DNA分子激發出的熒光很微弱，易受背景干擾，難以準確檢測。就像一個人的聲音很難被聽清楚，幾百、幾千人同時吶喊才能更準確地傳遞信息。

為了“聽”懂DNA，必須放大信號。方法是復制出幾百個同樣的序列，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”。華大智造測序儀產品經理汪婧婧博士解釋，PCR會把DNA雙鏈像筷子一樣分開，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，現實很骨感。PCR技術本身的不完善，使得復制的DNA會出錯，“和聲”中一旦出現“濫竽充數者”，將難以檢測準確。

PCR的不完善在于兩個方面。一個是錯誤累積。PCR的復制是傳遞復制，就像綜藝節目里的“傳遞模仿”，只要其中一環出錯，會學得越來越走樣，傳遞下去的錯誤序列也會“累積”。

另一個方面是，PCR中*的聚合酶會出錯。就像人累了會疏忽大意一樣，聚合酶如果不停裝配，“疲了”也會不時出錯。

有什么辦法能夠擺脫PCR的這些短板？“如果只復制原版，那么錯誤累積的問題就會解決。”汪婧婧說。

華大智造采用了滾環擴增技術。“單鏈成環是第一步。在連接酶的作用下，會讓DNA片段呈環形。”汪婧婧說，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

   “滾環復制是指復制出千百條DNA，均以這個環形DNA為模板。”汪婧婧解釋，每滾出一圈，下一圈會“踢走”上一圈。如此往復，就像用轉筆刀削鉛筆的動作，復制好的DNA會螺旋下來，最終得到經過復制“擴大”的DNA鏈。

   “基于物理原理，它在測序的小室里會自然地團成球狀。”汪婧婧說，“我們稱之為納米球。”但如果“拎”起來，就會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作，是因為選擇了恰當的酶。”汪婧婧說，研究團隊通過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、生化的反應速度……單個小室里會發生什么，與酶的選用息息相關。汪婧婧介紹，團隊通過熟悉酶與DNA的相互作用關系，通過設計酶的結構，包括蛋白組成、1、2、3級的折疊結構等來對酶的性能進行操作，并通過工程菌表達出來。

    不只如此，還要優化數以百萬計的反應條件，尋找酶活躍的環境，使生化反應時間可以縮短到1分鐘以內。

“我們的設備讀長是慢慢提高的。”汪婧婧說，最開始一個小室里一次只能讀50個堿基，直到現在能夠讀到最長的400個堿基，都是在摸索中不斷變長的。

“這是我們的自有秘方。”汪婧婧說，從最初收購CG公司獲取核心技術，實現核心工具的自主可控，到真正擁有自己的核心技術，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，華大智造不斷推出經受得住市場檢驗和比較的產品，追趕并進一步實現對競爭對手的超越。

    2018年10月，英國政府宣布將開展500萬人基因組計劃。牛津大學流行病學教授陳錚鳴介紹，英國方面對華大測序技術和其他企業提供的技術做了比較，為他們提供同樣的序列進行測序，華大測序的測序結果表現優秀。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格獲得*的服務。

創新繼續，不讓堿基受損

    在測序儀研發領域，業內認為新一代的納米孔技術也很有潛力，它拋棄了熒光檢測需要信號放大的弱點，轉用直接識別物理電信號來判斷DNA的“聲音”，或許會帶來新的迭代。“現在的問題仍舊是其準確率和效率。”陳錚鳴說，因為效率意味著成本，而成本決定能不能推廣。

    在瞄準運用更新一代技術進行戰略規劃的同時，華大智造仍在繼續創新，把現有技術用得更純熟，滿足不同的測序需求。

    “人們在堿基上加了熒光基團，可能會讓堿基受到損傷，所以才不能提高讀長。”汪婧婧表示，那么如果不讓堿基受損傷，會不會進一步改良高通量測序技術呢？為此，華大智造發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會和蛋白特異性相連。”汪婧婧說，團隊在抗體上連接熒光，再通過抗體與4種堿基的特異性結合，也實現了對4種堿基的識別。這一技術將進一步提高讀長及測序的準確性。

    “測序技術始終有更高的目標，更快、更精準、更便宜。”汪婧婧說，無論哪種技術，鉆得越精深，越能達成目標。每種技術路徑都可能是對的，關鍵在于有沒有工匠精神，完成對整個體系的精雕細刻。