打破垄断，推动高通量基因测序技术普及
解码生命有了国产利器（科技视点·“关键核心技术攻关记”之三）
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图为实验人员在进行测序作业。
华大智造供图
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本报记者 谷业凯
基因序列的不同决定了生物多样性和人在这个世界上的表现形式。解码基因的奥秘，离不开先进的基因测序仪器。然而，我国基因检测产业仍处于跟跑阶段，上游的测序仪器基本上依赖进口，核心技术被少数外国企业把持。
2018年，深圳华大智造科技有限公司（以下简称“华大智造”）发布了一款我国自主研发的超高通量基因测序仪——“MGISEQ—T7”。这是目前全球单日生产能力最强的基因测序仪，其单日数据产量可达6TB，6台机器可在1年内完成10万人的基因组测序工作，每GB数据的测序成本全球最低。
华大智造是全球第三家自主研发并量产临床级高通量基因测序仪的公司，它是如何从无到有、从弱到强的？
随着测序技术的快速发展，基因测序在临床和科研上都有着广泛的应用
我们的生命来自于一个如针尖般微小的受精卵细胞，经过50到60次的指数级复制，增至约100万亿个细胞。除极少数复制错误，几乎所有细胞里的DNA都完全一样。
DNA是由4种不同的碱基“A、T、C、G”根据不同的序列组成的双螺旋结构。如同“0、1”作为信息的基本单元一样，“A、T、C、G”作为生命的“密码”，为人类认识生命打开了一扇大门。
可是，人类基因组包含30亿个碱基、约2.5万多个基因，如果将这30亿个碱基的序列印刷成册，以每页3000个印刷符号计，将有100万页！
上世纪90年代启动的人类基因组计划，旨在通过测出人类基因组DNA的30亿个碱基对的序列，破译人类的全部遗传信息。经过10多年的努力，耗资30亿美元，人类基因组计划才宣告完成。
之后，随着测序技术的快速发展，基因测序的耗时和成本明显下降。华大集团执行董事、华大智造首席执行官牟峰告诉记者，如今，完成一个人的全基因组测序只需不到1天的时间，成本也只要不到600美元。基因测序的时代已经到来。
“基因测序技术在临床和科研上有着广泛的应用。”华大智造首席运营官蒋慧介绍，比如唐氏综合征是我国发生率很高的出生缺陷之一，35岁以上的育龄妇女一般要做羊水穿刺来检查染色体核型，但羊水穿刺有一定感染甚至流产的风险。采用基因测序技术可通过无创方式进行唐氏综合征等几种染色体异常的筛查，能在低风险的条件下避免发生出生缺陷。
专家介绍，临床上可以通过检查基因的序列，并与健康人的参数进行对比，判断这些序列是否改变，进而找出可引起疾病的变异基因；相关技术在肿瘤治疗、寻找传染病致病原、指导个体化用药等方面有明显效果。
华大集团理事长杨焕明院士曾担任国际人类基因组计划中国协调人，他这样评价基因测序的意义：有了人类基因组图谱，人类对自身就会有比较全面的了解。了解了基因，就能找到新的诊断和治疗疾病的方法。
通过技术引进和集成创新，把“黑铁塔”转化成桌面式产品
就像信息处理离不开计算机一样，大规模读取生命“源代码”需要先进的技术设备。在基因测序产业，作为上游基础设施的基因测序仪，为相关应用提供了关键的技术支撑，但它的生产制造难度极大。
“基因测序仪是光学、机械、电子、流体、化学、物理、分子生物学、信息软件等多学科的结合，测序仪的研发生产，需要融合很多新技术。”牟峰说。
人口基数大、大数据的应用，是我国基因产业发展优势。近年来，我国基因测序市场发展迅速，但“重应用、轻研发”倾向，使我国在测序仪研发领域上基本一片空白。
与此同时，个别外国企业在测序仪研发领域专利众多，形成了严密的保护体系，获得了市场垄断地位。华大基因一度是世界基因测序仪市场上的最大买家。
转折发生在2012年。当时一直购买某国外品牌测序仪的华大基因忽然发现，试剂耗材的报价一下涨了几倍，不仅新仪器难以购买，厂家也不再维修旧仪器。
华大智造执行副总裁刘健说，我们虽然拥有很多进口的测序仪，但对测序仪的处置却没有完全自主权，国外厂商规定的一些条款也不合理。
“我们曾希望将基因组计划中获得的技术和成果向医学临床转化，但得不到仪器所属企业的许可和支持。”蒋慧说。
2013年，测序仪器制造商CG公司计划出售。这家公司拥有先进的生化测序原理和技术，但彼时CG公司面临困境：研发的超大型设备虽然拥有极高的通量，但每台售价高达1200万美元，极为昂贵，且与当时技术应用的趋势不符，市场不买账。
抓住时机，华大智造收购CG。“最初，我们拿到CG的样机重达2吨，是个名副其实的‘黑铁塔’。”蒋慧说，为了让产品进入更多研究机构和临床应用，后来做了很多技术和理念上的转变，把“黑铁塔”转化成了轻巧的桌面式产品。
在此基础上，华大智造持续创新：开发了DNA纳米球、联合探针锚定聚合技术和单管长片段建库技术；找到了万里挑一的测序酶，使生化反应时间缩短到1分钟内……
依托自有技术路线，研发出一系列测序核心技术和产品，用户扩大到16个国家和地区
目前，华大智造累计投入研发经费超过50亿元，在一批关键核心技术上取得突破，实现了测序技术源头式专利布局，申请技术专利580余项，其中PCT专利80余项。此外，成功研发出相匹配的测序试剂、材料、生化反应体系等一系列的核心技术和产品。
“比如，在关键测序技术方面，传统的PCR（聚合酶链式反应）测序方法是把DNA双链像筷子一样分开，再用每根筷子去复制，1变2、2变4……最终完成指数级的扩增。但这种方法也存在问题，只要一个环节出错，后面都会出错。”华大智造测序仪产品经理汪婧婧介绍，“我们研发的DNA片段滚环扩增方式始终‘复印’的是原版DNA，就像用转笔刀削铅笔一样，能有效消除扩增错误的积累，提高了测序的准确度。”
另一方面，华大智造研发了新一代单管长片段建库技术，可获得长达300KB的长片段基因组信息，对于推动高精度基因组测序在科研和产业领域应用具有重要意义。
依托自有技术路线，自2015年以来，华大智造基因测序仪的全球装机量已超过1100台，覆盖16个国家和地区，用户超过300家；发表高水平科研论文300余篇。哈佛医学院基因组研究中心主任乔治·丘奇说：“有了核心技术，华大智造能够实现测序价格可负担，且测序错误率基本为零。”
谈及公司的创新基因，牟峰认为：“我们成立3年，有员工近千人，研发人员比例超过50%。他们既有生命科学方面的专家，也有光学、机械等专业的人才，融合创新能力强。”
目前，华大智造在上游仪器、试剂、软件三方面均有研发和生产能力，这在国际上极为少有。2017年，华大智造与中科院长春光机所投资成立了长光华大基因测序设备（长春）有限公司，开展基因测序仪等仪器设备的研发生产。“我们相信跨界的技术应用会改变这个行业，高度重视技术在创新过程中的融合。”刘健说。
“现代科技的发展实践表明，谁在工具上率先实现了突破，谁就能获得科技的先发优势。”牟峰说，“过去在很多领域我们都是跟随，但是在生命科学时代，我们在一开始就与世界基本同步，所以更要尽快补齐关键核心技术短板，做出引领性的成果。”
当年，杨焕明和同事们参与了人类基因组计划，并承担了1%的测序任务，就是这“1%”，使我国成为这一划时代科学创举中唯一的发展中国家。“‘1%测序项目’使我国具备自己的、接近世界水平的基因组的强大实力，相信我们通过进一步的自主创新，将为21世纪生物技术产业的发展带来光明和希望。”杨焕明说。
《 人民日报 》（ 2019年05月27日 19 版）
