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(fā)出相應(yīng)熒光，熒光顏色提示了“珍珠”的排列，其對應(yīng)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?yōu)閴A基加上對應(yīng)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(shù)的出現(xiàn)終結(jié)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(shù)路線。美國Illumina公司在市場和技術(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，通過技術(shù)引進和創(chuàng)新，采取不同的技術(shù)路線，換道邁進更快、更準(zhǔn)的測序“金標(biāo)準(zhǔn)”。

   熒光在百層“轉(zhuǎn)梯”上“炫舞”

   1個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。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(zhǔn)確地傳遞信息。

為了“聽”懂DNA，必須放大信號。方法是復(fù)制出幾百個同樣的序列，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”。華大智造測序儀產(chǎn)品經(jīng)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(fù)制，1變2、2變4，n輪之后，達到放大2的n次方的目標(biāo)。

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

PCR的不完善在于兩個方面。一個是錯誤累積。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，會學(xué)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(fù)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(huán)擴增技術(shù)。“單鏈成環(huán)是第一步。在連接酶的作用下，會讓DNA片段呈環(huán)形。”汪婧婧說，其中的連接酶、試劑和反應(yīng)條件都是多次試驗的*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，均以這個環(huán)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(fù)，就像用轉(zhuǎn)筆刀削鉛筆的動作，復(fù)制好的DNA會螺旋下來，最終得到經(jīng)過復(fù)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(zhuǎn)樓梯，每層旋轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)拿浮?rdquo;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(yīng)速度……單個小室里會發(fā)生什么，與酶的選用息息相關(guān)。汪婧婧介紹，團隊通過熟悉酶與DNA的相互作用關(guān)系，通過設(shè)計酶的結(jié)構(gòu)，包括蛋白組成、1、2、3級的折疊結(jié)構(gòu)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(yōu)化數(shù)以百萬計的反應(yīng)條件，尋找酶活躍的環(huán)境，使生化反應(yīng)時間可以縮短到1分鐘以內(nèi)。

“我們的設(shè)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(xiàn)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(shù)，實現(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)受得住市場檢驗和比較的產(chǎn)品，追趕并進一步實現(xiàn)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(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行測序，華大測序的測序結(jié)果表現(xiàn)優(yōu)秀。他認(rèn)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(wù)。

創(chuàng)新繼續(xù)，不讓堿基受損

    在測序儀研發(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，它拋棄了熒光檢測需要信號放大的弱點，轉(zhuǎn)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(xiàn)在的問題仍舊是其準(zhǔn)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(zhǔn)運用更新一代技術(shù)進行戰(zhàn)略規(guī)劃的同時，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(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(jié)合，也實現(xiàn)了對4種堿基的識別。這一技術(shù)將進一步提高讀長及測序的準(zhǔn)確性。

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