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(yīng)熒光，熒光顏色提示了“珍珠”的排列，其對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(guó)家集中力量對(duì)其進(jìn)行破譯，即“人類(lèi)基因組計(jì)劃”，高通量測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)終結(jié)了漫長(zhǎng)、浩大的測(cè)序工程時(shí)代。

截至目前，高通量測(cè)序有不同的技術(shù)路線(xiàn)。美國(guó)Illumina公司在市場(chǎng)和技術(shù)上均占有壟斷地位。我國(guó)華大智造在后發(fā)劣勢(shì)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(zhǔn)的測(cè)序“金標(biāo)準(zhǔn)”。

   熒光在百層“轉(zhuǎn)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(zhǔn)確檢測(cè)。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(zhǔn)確地傳遞信息。

為了“聽(tīng)”懂DNA，必須放大信號(hào)。方法是復(fù)制出幾百個(gè)同樣的序列，同步反應(yīng)，同步釋放熒光，如同千百人一同吶喊。

傳統(tǒng)的方法是用PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）復(fù)制出這“千百人”。華大智造測(cè)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(fù)制，1變2、2變4，n輪之后，達(dá)到放大2的n次方的目標(biāo)。

   理論很好，現(xiàn)實(shí)很骨感。PCR技術(shù)本身的不完善，使得復(fù)制的DNA會(huì)出錯(cuò)，“和聲”中一旦出現(xiàn)“濫竽充數(shù)者”，將難以檢測(cè)準(zhǔn)確。

PCR的不完善在于兩個(gè)方面。一個(gè)是錯(cuò)誤累積。PCR的復(fù)制是傳遞復(fù)制，就像綜藝節(jié)目里的“傳遞模仿”，只要其中一環(huán)出錯(cuò)，會(huì)學(xué)得越來(lái)越走樣，傳遞下去的錯(cuò)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(cuò)。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(cuò)。

有什么辦法能夠擺脫P(yáng)CR的這些短板？“如果只復(fù)制原版，那么錯(cuò)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(kuò)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(yīng)條件都是多次試驗(yàn)的*結(jié)果。

合成新酶促成精妙滾環(huán)

   “滾環(huán)復(fù)制是指復(fù)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(fù)，就像用轉(zhuǎn)筆刀削鉛筆的動(dòng)作，復(fù)制好的DNA會(huì)螺旋下來(lái)，最終得到經(jīng)過(guò)復(fù)制“擴(kuò)大”的DNA鏈。

   “基于物理原理，它在測(cè)序的小室里會(huì)自然地團(tuán)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(zhuǎn)樓梯，每層旋轉(zhuǎn)的DNA序列相同，完成了信號(hào)放大。

   “之所以能夠完成這樣精妙的合成動(dòng)作，是因?yàn)檫x擇了恰當(dāng)?shù)拿浮?rdquo;汪婧婧說(shuō)，研究團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)、生化的反應(yīng)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(tuán)隊(duì)通過(guò)熟悉酶與DNA的相互作用關(guān)系，通過(guò)設(shè)計(jì)酶的結(jié)構(gòu)，包括蛋白組成、1、2、3級(jí)的折疊結(jié)構(gòu)等來(lái)對(duì)酶的性能進(jìn)行操作，并通過(guò)工程菌表達(dá)出來(lái)。

    不只如此，還要優(yōu)化數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的反應(yīng)條件，尋找酶活躍的環(huán)境，使生化反應(yīng)時(shí)間可以縮短到1分鐘以?xún)?nèi)。

“我們的設(shè)備讀長(zhǎng)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(xiàn)在能夠讀到最長(zhǎng)的400個(gè)堿基，都是在摸索中不斷變長(zhǎng)的。

“這是我們的自有秘方。”汪婧婧說(shuō)，從最初收購(gòu)CG公司獲取核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(yīng)體系等一系列的系統(tǒng)技術(shù)，華大智造不斷推出經(jīng)受得住市場(chǎng)檢驗(yàn)和比較的產(chǎn)品，追趕并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的超越。

    2018年10月，英國(guó)政府宣布將開(kāi)展500萬(wàn)人基因組計(jì)劃。牛津大學(xué)流行病學(xué)教授陳錚鳴介紹，英國(guó)方面對(duì)華大測(cè)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(cè)序，華大測(cè)序的測(cè)序結(jié)果表現(xiàn)優(yōu)秀。他認(rèn)為，英國(guó)政府歡迎競(jìng)爭(zhēng)的存在，因?yàn)槟菢硬拍鼙ＷC項(xiàng)目能以較低的價(jià)格獲得*的服務(wù)。

創(chuàng)新繼續(xù)，不讓堿基受損

    在測(cè)序儀研發(fā)領(lǐng)域，業(yè)內(nèi)認(rèn)為新一代的納米孔技術(shù)也很有潛力，它拋棄了熒光檢測(cè)需要信號(hào)放大的弱點(diǎn)，轉(zhuǎn)用直接識(shí)別物理電信號(hào)來(lái)判斷DNA的“聲音”，或許會(huì)帶來(lái)新的迭代。“現(xiàn)在的問(wèn)題仍舊是其準(zhǔn)確率和效率。”陳錚鳴說(shuō)，因?yàn)樾室馕吨杀?，而成本決定能不能推廣。

    在瞄準(zhǔn)運(yùn)用更新一代技術(shù)進(jìn)行戰(zhàn)略規(guī)劃的同時(shí)，華大智造仍在繼續(xù)創(chuàng)新，把現(xiàn)有技術(shù)用得更純熟，滿(mǎn)足不同的測(cè)序需求。

    “人們?cè)趬A基上加了熒光基團(tuán)，可能會(huì)讓堿基受到損傷，所以才不能提高讀長(zhǎng)。”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(cè)序技術(shù)呢？為此，華大智造發(fā)明了熒光與堿基結(jié)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(tuán)隊(duì)在抗體上連接熒光，再通過(guò)抗體與4種堿基的特異性結(jié)合，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)4種堿基的識(shí)別。這一技術(shù)將進(jìn)一步提高讀長(zhǎng)及測(cè)序的準(zhǔn)確性。

    “測(cè)序技術(shù)始終有更高的目標(biāo)，更快、更精準(zhǔn)、更便宜。”汪婧婧說(shuō)，無(wú)論哪種技術(shù)，鉆得越精深，越能達(dá)成目標(biāo)。每種技術(shù)路徑都可能是對(duì)的，關(guān)鍵在于有沒(méi)有工匠精神，完成對(duì)整個(gè)體系的精雕細(xì)刻。