導(dǎo)讀
2000年，第一個(gè)人類基因組草圖繪制完成，耗時(shí)13年，耗資38億美元。
2007年，第一個(gè)中國(guó)人基因組繪制耗時(shí)數(shù)月，耗費(fèi)300萬美元。
2023年，超過400人的全基因組測(cè)序耗時(shí)僅需2.5天，單個(gè)人基因組測(cè)序成本僅不到100美元！
將單人全基因組測(cè)序成本降低至100美元甚至更低，這是基因測(cè)序行業(yè)的共同目標(biāo)。
近日，華大智造（MGI）推出的DNBSEQ-T20×2（簡(jiǎn)稱T20）平臺(tái)在真正實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)*的同時(shí)，創(chuàng)造了全球基因測(cè)序儀單機(jī)通量的新紀(jì)錄，為基因科技的未來提供了更多可能。眾所周知，當(dāng)基因測(cè)序技術(shù)成本降到一定的程度，基因測(cè)序會(huì)逐步成為推動(dòng)傳統(tǒng)醫(yī)療向精準(zhǔn)醫(yī)療轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵技術(shù)。因此，T20的發(fā)布意義重大，不單單是一臺(tái)新設(shè)備的問世，更是為全球基因科技的發(fā)展和普及按下了加速鍵，加快人類對(duì)基因組學(xué)的研究，促進(jìn)醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域的應(yīng)用，助力實(shí)現(xiàn)基因科技普惠人人的宏偉目標(biāo)。
測(cè)序儀被稱為基因測(cè)序產(chǎn)業(yè)鏈上的珍珠，其技術(shù)革新推動(dòng)著人類基因組測(cè)序通量的提高和成本的下降，但技術(shù)革新從來不是一蹴而就。最初，科學(xué)家們?cè)O(shè)想能夠在一張載片上分析超過十億個(gè)擴(kuò)增后的DNA片段，通過大規(guī)模并行的反應(yīng)和信號(hào)檢測(cè)減少試劑耗材的消耗，降低成本。2015年，第一款基于該設(shè)想的機(jī)型，即華大智造美國(guó)子公司Complete Genomics發(fā)布的Revolocity超高通量測(cè)序儀平臺(tái)一年可完成1萬例個(gè)人全基因組測(cè)序（hWGS，human Whole Genome Sequencing）?，F(xiàn)在，一臺(tái)T20每年可完成5萬例hWGS，成為目前世界上通量最高的低成本可量產(chǎn)測(cè)序儀。這背后凝聚了眾多技術(shù)的革新，《測(cè)序中國(guó)》特邀華大智造高級(jí)副總裁倪鳴博士為大家一一揭秘。
T20的“第一眼”印象
圖1：DNBSEQ-T20×2主要模塊構(gòu)成。
來源：參考資料[1]
首先，我們可以直觀地了解一下T20的組成，主要包括試劑模塊、生化模塊、光學(xué)模塊（×2）、動(dòng)力模塊、BIT模塊（選配）等。與大多數(shù)測(cè)序平臺(tái)的組成相比，T20并沒有太大出入，但T20打破了封閉式生化液路系統(tǒng)的傳統(tǒng)構(gòu)造，采用開放式系統(tǒng)和模塊化結(jié)構(gòu)。擁有一套這樣的設(shè)備，就相當(dāng)于擁有了一座“測(cè)序工廠”。
其次，在生化原理技術(shù)路線的選擇上，T20創(chuàng)新性地采用了浸沒式的生化反應(yīng)系統(tǒng)（下文將進(jìn)行詳細(xì)介紹），極大地提高了測(cè)序效率和測(cè)序規(guī)模、并進(jìn)一步降低了測(cè)序成本。
當(dāng)前，T20可以同時(shí)支持6張超大尺寸的測(cè)序載片上機(jī)運(yùn)行，每張測(cè)序載片不僅能夠獨(dú)立運(yùn)行不同的測(cè)序讀長(zhǎng)和測(cè)序應(yīng)用，還能夠支持不同文庫(kù)的混合測(cè)序。T20的整個(gè)測(cè)序全流程通過2個(gè)四軸機(jī)械臂和1個(gè)六軸機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化串聯(lián)，單次通量是目前其他超高通量測(cè)序平臺(tái)的4.5倍~10.5倍之高（PE100，42Tb/Run；PE150，72Tb/Run）。
“將耗材成本降到極致”
生化模塊：實(shí)現(xiàn)T20測(cè)序成本降低的重要拼圖
T20的生化模塊采用了浸沒式生化反應(yīng)技術(shù)。該技術(shù)的應(yīng)用可以大大降低單位數(shù)據(jù)產(chǎn)出所消耗的測(cè)序試劑，提高試劑利用率，從而進(jìn)一步降低單位數(shù)據(jù)測(cè)序成本。倪鳴博士感慨道：“可以說，T20正是通過浸沒式生化反應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了測(cè)序讀長(zhǎng)、測(cè)序通量、數(shù)據(jù)質(zhì)量以及成本投入之間的最佳平衡?！?/span>
圖2：浸沒式（左）和流道式（右）生化平臺(tái)流程圖。
來源：華大智造
測(cè)序儀采用的流道式生化反應(yīng)依賴于復(fù)雜的流體和升降溫控制系統(tǒng)，這種“樣本固定、試劑流動(dòng)”的生化反應(yīng)方案對(duì)流動(dòng)槽的加工工藝有著較高的要求，包括流動(dòng)槽的平整度、在升降溫過程中的形變程度、流體高精度控制等。如果固定在芯片平臺(tái)上的流動(dòng)槽平整度不夠或在升降溫過程中變形過度，將直接影響生化反應(yīng)的均勻性、充分性以及后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)的信號(hào)采集。而復(fù)雜的流體和溫控系統(tǒng)也意味著較高的硬件和維修成本。此外，流道式生化反應(yīng)方案中的反應(yīng)試劑均為一次性使用，試劑有效成分利用率極低也限制測(cè)序耗材成本的下降。
與之相反，華大智造獨(dú)創(chuàng)的浸沒式生化反應(yīng)采用了“試劑固定、樣本轉(zhuǎn)移”的方案，將無表面覆蓋的測(cè)序載片依次浸泡在可控溫的反應(yīng)槽中以完成特定的生化反應(yīng)，試劑槽溫度控制可以精密到±0.5攝氏度內(nèi)，保證生化反應(yīng)的穩(wěn)定性。這種浸沒式的“無表面覆蓋測(cè)序載片”避免了傳統(tǒng)流動(dòng)槽試劑流速不均勻的問題，測(cè)序載片表面不易產(chǎn)生氣泡，生化反應(yīng)更均勻、充分，載片的利用率進(jìn)一步提高，且整張浸入反應(yīng)試劑中的測(cè)序載片受熱均勻，也不易發(fā)生形變等。
倪鳴博士談道：“浸沒式生化反應(yīng)技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于可以通過在同一反應(yīng)槽依次浸泡多張測(cè)序載片，完成多個(gè)測(cè)序循環(huán)。我們采用自主研制的試劑配方，能夠在不發(fā)生交叉污染的前提下實(shí)現(xiàn)測(cè)序試劑的重復(fù)利用，大大提高了試劑利用率與數(shù)據(jù)生產(chǎn)效率，增加了數(shù)據(jù)產(chǎn)量，降低了測(cè)序成本?！?/span>
圖3：浸沒式（左）和流道式（右）生化反應(yīng)示意圖。
來源：參考資料[2]
“將技術(shù)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到極致”
光學(xué)模塊：支撐T20超高通量信號(hào)識(shí)別和算法輸出的核心
高質(zhì)量顯微成像系統(tǒng)是超高通量測(cè)序儀的核心模塊。因此，T20的超高通量對(duì)光學(xué)成像、圖像識(shí)別及數(shù)據(jù)傳輸速度都提出了更高的要求。倪鳴博士表示：“采用華大智造獨(dú)有的雙色熒光測(cè)序?qū)＠夹g(shù)，T20能夠高效地進(jìn)行堿基識(shí)別，同時(shí)將光學(xué)硬件、計(jì)算資源大幅度壓縮，還具有減輕大數(shù)據(jù)傳輸壓力等優(yōu)勢(shì)，為測(cè)序通量的增加奠定了技術(shù)基礎(chǔ)?！?/span>
T20光學(xué)模塊采用浸沒式光學(xué)鏡頭聯(lián)合TDI線掃相機(jī)，以支撐超高通量信號(hào)識(shí)別。據(jù)了解，T20光學(xué)模塊由光學(xué)成像模塊和光學(xué)控制模塊組成，前者負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)序載片上的熒光信號(hào)進(jìn)行成像，后者負(fù)責(zé)控制光學(xué)成像模塊、實(shí)時(shí)生成原始的堿基序列Cal.（Cal.是由華大智造測(cè)序儀堿基識(shí)別basecall軟件生成的二進(jìn)制文件格式）文件。
圖4：光學(xué)模塊的光學(xué)鏡頭實(shí)物模型。
來源：參考資料[1]
倪鳴博士介紹到，為了支撐高通量信號(hào)的采集、傳輸、識(shí)別，T20的成像系統(tǒng)進(jìn)行了多維度的創(chuàng)新突破。其一，其成像模塊采用浸沒式光學(xué)鏡頭，鏡頭端面直接浸沒到試劑溶液中，以試劑溶液作為拍照介質(zhì)，相較空氣介質(zhì)，具有數(shù)值孔徑高等特點(diǎn)，提高了空間分辨力，支持更高密度的測(cè)序載片運(yùn)行，提高了單位面積的數(shù)據(jù)產(chǎn)出。此外，T20采用TDI線掃相機(jī)，相比于常規(guī)面陣式掃描方法，其搭配高性能運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，光學(xué)圖像采集效率可提高2~3倍。更重要地，使用高質(zhì)量的國(guó)產(chǎn)大視場(chǎng)光學(xué)物鏡，單FOV（Field of View）視場(chǎng)直徑超2mm，可捕獲更多的熒光信號(hào)，能夠輸出更高信噪比的熒光圖像，這為通量的提升和系統(tǒng)優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的硬件基礎(chǔ)。
“將算法精度提升到極致”
測(cè)序算法：匹配T20超強(qiáng)生產(chǎn)規(guī)模的數(shù)據(jù)處理和堿基識(shí)別能力
由于單位時(shí)間內(nèi)捕獲到的超大量熒光信號(hào)，需要準(zhǔn)確、快速、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化成原始?jí)A基序列信息，對(duì)獲取到的圖像的實(shí)時(shí)處理、信號(hào)轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)傳輸也提出了更高要求。為了提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，最大限度縮短數(shù)據(jù)處理時(shí)間，T20引入了硬件計(jì)算加速，突破傳統(tǒng)CPU架構(gòu)計(jì)算能力和吞吐量的瓶頸，獲得了上百倍數(shù)據(jù)處理能力的提升。
倪鳴博士強(qiáng)調(diào)，針對(duì)TDI線掃成像的特點(diǎn)，T20研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出了非對(duì)稱的點(diǎn)光源亮度提取算法。隨著測(cè)序進(jìn)程的推進(jìn)，該算法會(huì)綜合參考過程參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，顯著提高了準(zhǔn)確率，同時(shí)采用了傳統(tǒng)圖像處理方法和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，能夠極大地提高堿基識(shí)別算法的精度和適用性。
“將配套保障做到極致”
T20一站式工具包：助力大規(guī)模測(cè)序項(xiàng)目的快速啟動(dòng)
進(jìn)一步地，為了滿足大人群基因組項(xiàng)目、尤其是百萬級(jí)別國(guó)家基因組項(xiàng)目快速啟動(dòng)的需求，以T20為中心，華大智造提供可選的一站式工具包，包括樣本制備系統(tǒng)（MGISTP-7000和MGISP-NE384）及試劑、自動(dòng)化建庫(kù)設(shè)備（MGISP-960和 MGISP-Smart 8）、建庫(kù)試劑，以及一系列支撐海量數(shù)據(jù)處理的工具和模塊，例如：具備Pb級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和生信分析加速處理能力的ZTRON Pro一體機(jī)，以及可實(shí)現(xiàn)樣本管理、實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)、基因數(shù)據(jù)管理的ZLIMS Pro+等。
其中，華大智造ZTRON Pro一體機(jī)是針對(duì)高通量測(cè)序儀設(shè)計(jì)的集實(shí)驗(yàn)室信息管理、生信計(jì)算和海量基因數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一體的基因數(shù)據(jù)平臺(tái)，可以在實(shí)驗(yàn)室中直接使用，也可部署于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，滿足高達(dá)百萬級(jí)規(guī)模的測(cè)序極致交付要求。ZTRON Pro支持獨(dú)立離線部署，也支持橫向擴(kuò)展，獲得了歐盟Europrise認(rèn)證，符合GDPR要求，安全可靠，同時(shí)能夠最小化IT運(yùn)維成本。[3]
事實(shí)上，這套一站式工具包的理念提出，是基于華大智造對(duì)測(cè)序全流程的理解與深耕。面對(duì)海量基因數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)及管理帶來的挑戰(zhàn)，華大智造提供高性價(jià)比、高密度和高擴(kuò)展的技術(shù)和產(chǎn)品。據(jù)倪鳴博士介紹，當(dāng)前，華大智造已實(shí)現(xiàn)測(cè)序全流程的工具布局，不僅可提供端到端“樣本到數(shù)據(jù)”的高通量自動(dòng)化解決方案，而且可以提供自己的樣本前處理、文庫(kù)制備及數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，甚至包含生物樣本庫(kù)的平臺(tái)，能夠真正解決大規(guī)模基因組學(xué)研究項(xiàng)目、大規(guī)模多組學(xué)研究項(xiàng)目等大型項(xiàng)目在項(xiàng)目過程中遇到的“工具卡點(diǎn)”問題。
圖5：面向大型組學(xué)項(xiàng)目的T20一站式工具包。
來源：參考資料[1]
結(jié) 語
通過對(duì)生化、光學(xué)、算法及配套工具等多個(gè)方面進(jìn)行的極致創(chuàng)新及應(yīng)用，T20極大地降低了測(cè)序成本，在超高通量數(shù)據(jù)輸出的同時(shí)保證了測(cè)序數(shù)據(jù)的高質(zhì)量，讓人過目難忘。更加無法忽略的是，凝聚在這一超強(qiáng)產(chǎn)品背后的中國(guó)人、中國(guó)企業(yè)的自主研發(fā)創(chuàng)新能力。
在采訪的最后，倪鳴博士總結(jié)道：“華大智造圍繞‘存讀算用’已推出了基因測(cè)序儀、自動(dòng)化產(chǎn)線、生物樣本庫(kù)、BIT產(chǎn)品等生命科技核心工具。在工具的研發(fā)上，我們始終堅(jiān)持追求極致、打破邊界，希望通過最先進(jìn)的技術(shù)，為全球用戶提供更多工具便利、實(shí)現(xiàn)更多創(chuàng)新突破。隨著T20的推出，華大智造測(cè)序儀產(chǎn)品線完成了‘低通量-中通量-高通量-超高通量’全覆蓋矩陣的進(jìn)一步擴(kuò)充。未來，我們的三大業(yè)務(wù)線將以此為標(biāo)桿，持續(xù)為行業(yè)提供更多可選擇的權(quán)利與機(jī)會(huì)。”
華大智造DNBSEQ基因測(cè)序儀主要產(chǎn)品
DNBSEQ-T20×2（重點(diǎn)應(yīng)用于大人群基因組等大型組學(xué)研究項(xiàng)目）
DNBSEQ-T7（重點(diǎn)應(yīng)用于大中型測(cè)序項(xiàng)目）
MGISEQ-2000（重點(diǎn)應(yīng)用于全基因組、外顯子組、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序等）
MGISEQ-200（重點(diǎn)應(yīng)用于小型基因組測(cè)序，靶向DNA和RNA測(cè)序，低深度全基因組測(cè)序）
DNBSEQ-G99（重點(diǎn)應(yīng)用于靶向捕獲/多重靶向測(cè)序，小型基因組測(cè)序，甲基化測(cè)序）
DNBSEQ-E25（重點(diǎn)應(yīng)用于病原快檢、小型基因組測(cè)序、靶向測(cè)序）
20年，將WGS測(cè)序成本從30多億美元降至100美元以內(nèi)，這是一個(gè)夢(mèng)想推動(dòng)科技進(jìn)步的時(shí)代。DNBSEQ-T20×2的誕生是測(cè)序工具領(lǐng)域的里程碑事件。相信DNBSEQ-T20×2提供的不止是超高通量測(cè)序的一大選擇，而是能夠激發(fā)更多 “敢實(shí)現(xiàn)”的科研夢(mèng)想，讓更多的科研創(chuàng)新不再受限于測(cè)序工具的極限，為全球基因科技的發(fā)展強(qiáng)勢(shì)賦能，助力我們更快走進(jìn)“人人基因組”時(shí)代。
*備注：DNBSEQ-T20×2可在完成5萬例人全基因組測(cè)序基礎(chǔ)上，將單個(gè)人全基因測(cè)序成本降低至100美元以內(nèi)。
來源：測(cè)序中國(guó)
參考資料：
1.http://www.qhyingtu.com/products/instruments_info/44/
2.https://zhuanlan.zhihu.com/p/346771767
3.http://www.qhyingtu.com/products/software_info/3/
公司熱線
電子郵箱
總部地址
