来源:先进细胞智造系统研发平台
承载单位:深圳赛动智造科技有限公司
时间:2022-06-24
刘沐芸博士访谈录
基因科学和技术的发展,能说是一场革命吗?为什么?
可以这么说,人类基因组计划为我们提供了一个新的、更准确、更低成本、更精细的数字化认知生命的工具和方法,改变了我们对生命发育、农业育种,疾病发生、发展和干预,药物研发等的认知路径和研究范式。
一种新的认知方法,也带来了新的工具需求,就是扩展我们人类数字化认知世界和理解能力的工具,能数字化获取信息的工具,能数字化理解世界的工具,能数字化制造产品的工具,能实现数字化传递的工具等。因此科技革命,目前只是一个新的起点,还远没有到革命成功的时候。当然革命的成功可能并不是一个终点,而是一个动态的行进过程,在一个问题得到回答和解决的同时,又不断衍生出新的问题和挑战,需要我们持续的探索和研究,也就衍生出对新工具的需求。我想这是一个循环往复的过程,一个开始的结束,也是一个结束的开始。
我们可以从测序技术的发展看现在和未来。20世纪90年代的测序技术基本是被Sanger测序所占据。Sanger测序的速度和成本受限于其对双脱氧末端终止法的依赖,无法持续优化,同时由于需要应用电泳,每次只能测单个DNA片段。
1998年,Pal NNyren’s实验室推出了一种合成测序法,就是焦磷酸测序。使用双酶荧光素系统,测量DNA链形成过程中产生的焦磷酸盐。相对于Sanger测序,焦磷酸测序实现了实时测序,并避免使用冗长电泳。
此时,已有研究团队提出对测序通量的需求,通过克隆和扩增特定DNA准备测序模版,以提高测序通量。1999年,Mitra和Church提出一种扩增DNA的方法,用PCR法获得大量PCR克隆产物,与模版对应,实现并行读取多个克隆群体。
2000年,Brenner等用连续测序法读取了酿酒酵母序列,2003年,Dressman对连续测序法进行了优化。
2000年,美国Venter团队基于大规模测序平台的工业化优势率先完成第一份人类基因草图,开创了全基因组猎枪测序方法(Whole-genome Shotgun Sequencing Approach),相较人类基因组计划的国际合作队伍,Venter软硬一体大规模测序平台更便宜、更高效,总体花费2.5亿美元,而国际合作队伍的总体花费超过30亿美元。最终,国际合作队伍也得以提前达成目标,其中软硬一体的大规模自动化测序平台功不可没。国际合作队伍原定的测序分为两步走,第一步是映射(Mapping),第二步才是测序(Sequencing),并且由分散在不同国家的生物学实验室随机开展工作。而Venter团队以数字视角而来的“猎枪测序法(Shotgun Sequencing)”结合算法跳过映射步骤直接测序,集约了工序也节省了时间,当然更减少了成本。
2021年5月27日,一个国际合作团队宣称,应用新的测序技术和测序工具完成了人类基因组完整的测序(Entirety of the Human Genome),这次完整的“读取”,指的是弥补了20年前公布的草图中“缺失”的那8%。新的测序仪增加DNA碎片的读长,以便识别出高度重复字节中的差异和不同,进行重新装配。