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一顆“納米球”打破基因測序關鍵技術壟斷

發布時間:2021/12/27      點擊次數:233
   把“命門”掌握在自己手中

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,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中必用的聚合酶會出錯。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最優結果。

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極高的聚合酶。

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最優的服務。

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。


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