《大咖论健》第53期 | 蒋慧:首次专访谈国产测序仪参数和华大智造平台规划

关键词:基因测序技术  华大智造(MGI)

华大基因  平台规划  大民生

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华大股份CEO-尹烨   Illumina总经理-赵瑞林

瀚海基因董事长-贺建奎  北京基因组所-方向东

Bionano创始人-曹涵谈   解放军总医院-杨云生

 国家生物医学分析中心-杨瑞馥

复旦大学附属儿科医院院长-黄国英

Part 1. 

【基因慧】蒋总,您在华大工作十余年,一直专注基因测序技术。从1986年第一台基因测序仪开始到现在31年,能否请您简短谈谈基因测序技术的基本原理和发展演化?谢谢!

【蒋慧】谢谢!下面我和基因慧读者简短分享下DNA测序仪从一代到四代的发展过程。

我们知道,第一代测序仪是基于双脱氧终止法的自动测序仪,它使用非放射性荧光标记代替同位素标记,通过激光激发荧光反应并通过探测器收集荧光信息,通过图像识别和分析自动获得DNA序列。1987年美国Applied Biosystems(ABI)公司推出第一台自动化测序仪ABI370,产量达到每天1000个碱基。这种自动化技术不断升级,直到1997年推出ABI 3700能够使用96道毛细管阵列同时检测96个样本,产量达到每天500,000到1,000,000个碱基。2017年Thermo Fisher 推出了最新的一代测序仪SeqStudio使用一体化卡夹设计,使用前的准备和操作更简单。

到了第二代测序,由于第一代测序仪存在成本高和通量低等方面的不足,尤其是随着人类基因组计划的完成,传统的测序方法已经不能满足深度测序和重复测序等大规模基因组测序的需求,这促使了第二代DNA测序技术的诞生。第二代测序技术最显著的特征是通过芯片实现了高通量测序,一次能对上亿条DNA分子进行序列测序,使得成本降到相对最低,测序主要是聚合酶法和连接酶法,结合光学检测或电信号检测实现碱基信息读取。目前主流测序平台包括Illumina公司MiSeq、NextSeq、HiSeq和NovaSeq系列测序仪;Thermo Fisher公司PGM,Proton等系列仪器;以及华大 BGISEQ系列测序仪。

现在大家谈到第三代测序和四代测序,一般认为单分子测序技术为第三代测序技术,但是由于现行单分子测序技术方法存在较大差异,较为常见包括基于类似二代的单分子光学检测技术(比如PacBio和Helicos等)和纳米孔单分子测序(比如Oxford Nanopore和Genia等),也有专家将前者称为第三代测序技术,而把后者称为第四代测序技术。

Part 2. 
【基因慧】我们知道,作为基因领域的上游,基因测序平台一方面是趋于平台化,联合了自动化建库、捕获等自动化硬件设备以及云计算等软件;另一方面是小型化,从大型机到2011年的桌面型到U盘大小的MinION 测序仪。您对这两方面是怎么看待的?放眼未来5-10年,您认为测序仪会朝着哪些方向发展?谢谢!

 

【蒋慧】测序仪要变成我们常用的检测和研究工具,必然需要实现自动化的样本制备和数据分析,实现简易操作。目前自动化样本制备部分主要是以移液系统为主,能够实现从血液样本到最后文库的大部分流程自动化。在数据分析部分,无论是云计算还是本地化分析都已经取得重要进展,针对WGS、WES等常见科研应用和无创产前和肿瘤等临床检测都已经在分析速度和分析成本上实现大规模、批量化的分析。

就测序仪通量来说,为了满足科研大数据产出需求,必然走向超高通量测序仪,通过集约式生产来实现运行成本的降低,比如NovaSeq和Revolocity测序仪;另一方面,为了满足及时检测需求,小型化集成式测序仪必然是发展趋势,比如MiniSeq、BGISEQ-50、ONT MinION等。

华大智造测序仪科研成果及应用参数

Part 3. 
【基因慧】华大智造(MGI)在2016年情人节开始量产推出国产测序仪BGISEQ-500,上半年基于BGISEQ-500也发布了不少重量级科研文献成果。同行都很关心目前BGISEQ-500的核心技术、发行情况和应用参数,您能就可以公开的信息详细分享下吗?谢谢!

 

【蒋慧】BGISEQ-500目前支持双芯片平台同时且独立运作,单张芯片的平均reads数可达1300M,目前已经对外的读长模式包括SE50、PE50、SE100、PE100四种,更多的读长模式目前处于研发期间,部分已经到了转产前期,我们会根据进度安排来陆续发布。

目前BGISEQ-500能够做到最快24小时即可从样本制备到分析报告的得出。就建库来说,和Illumina以及Thermo Fisher 平台一样,都需要200ng-1ug样本片段化、末端补平、加接头和扩增这几个主要步骤。和其他平台不一致的是我们有单独的环化环节形成DNA环,用于生成DNA纳米球进行测序,独特的DNA纳米球技术也使得文库扩增时呈现更少错误和偏向性。

目前我们已经推出了WGS、WES、转录组和表达谱测序等标准化建库试剂盒,以及SE50,SE100,PE50和PE100测序试剂盒,PE100测序Q30可以达到85%以上,使用标准文库甚至可以达到90%以上Q30,可以满足不同类型的科研需求,也可以基于这些开发不同类型临床检测应用。

(以上三图为BGISEQ-500测序相关参数,样本类型DNA,测序类型PE100)

到目前为止,已经在BGISEQ平台上发表文章十余篇,后续会有更多高水平文章的产出。

发表期刊:2016年9月,《Insect Biochemistry and Molecular Viology》

文献标题:Comparative transcriptome analysis of chemosensory genes in two sister leaf beetles provides insights into chemosensory speciation

研究成果:通过BGISEQ-500转录组测序首次研究并鉴定了叶甲科昆虫Pyrrhalta的两个姐妹品种的化感基因家族,发现化学感应基因在化学引导的生殖隔离和生态隔离中起了关键作用。

发表期刊:2016年11月,《Clinical Epigenetics》

文献标题:cPAS-based sequencing on the BGISEQ-500 to explore small non-coding RNAs.

研究成果:使用BGISEQ-500平台对人样品进行Small RNA高通量测序,并与HiSeq平台、芯片比较。优化的联合探针锚定聚合技术(cPAS)使得测序数据具有很高的技术重复性(相关性系数高达99%)。HiSeq、BGISEQ-500、芯片等测序数据比对到miR-451a的reads比例分别为0.8%、45.9%和37.2%。BGISEQ-500平台与芯片分析结果基本一致。这个研究表明BGISEQ-500平台是对现有测序平台的补充,是Small RNA测序研究的优选平台。

发表期刊:2017年4月,《Rice》

文献标题:Over expression of OsHSP18.0-CI Enhances Resistance to Bacterial Leaf Streak in Rice

研究成果:作者从单一基因功能研究入手,在做完转基因和RNAi实验之后,先用qRT-PCR对该基因的表达进行验证,在得到预期结果后,使用BGISEQ-500测序平台进行了RNA-Seq分析,clean reads比对率达到99.98%。RNA-Seq的结果不仅验证了qRT-PCR的结果,还发现了许多差异表达的基因,发现OsHSP18.0-CI的超表达能有效的提高水稻抗病能力。

发表期刊:2017年4月,《GigaScience》

文献标题:A reference human genome dataset of the BGISEQ-500 sequencer

研究成果:采用被广泛使用的“瓶中基因组”联盟发布的人类细胞系HG001(NA12878)对BGISEQ-500和HiSeq 2500的全基因组测序比较。BGISEQ-500测序仪产出的PE50及PE100数据分别约135.5Gbp、153.6 Gbp,共两张芯片,耗时约72小时,与HiSeq 2500测序仪快速模式v1(persingle flow cell 40小时产出80Gbp)通量相似。分析结果表明BGISEQ-500 PE100与HiSeq 2500 PE150具有相似的灵敏度、阳性检出率、假阳性率和假阴性率。

 

发表期刊:2017年7月,《GigaScience》

文献标题:Comparative performance of the BGISEQ-500 versus Illumina HiSeq 2500 sequencing platforms for palaeogenomic sequencing

研究成果:分别采用BGISEQ-500和Illumina HiSeq 2500平台,对91-14000年前的8个古老大型犬科动物的DNA 样本进行测序,并对测序性能和数据质量进行比较。研究结果表明,数据表现在两个测序平台上整体基本相当,BGISEQ-500平台产生的8个文库中有7个的文库复杂度都显著的高于HiSeq平台。其中差异最大的,正是距今14,000年前的最古老样本之一。

(以上两图为BGISEQ-500测序参数和HiSeq 2500的比较。PE150的数据尚未发表,近期即将公开)

华大制造(MGI)品牌和平台战略

Part 4. 
【基因慧】MGI作为华大集团的十大体系之一,以独⽴立品牌运作,承载了“国之重器”的使命。请您向广大同行介绍下华大智造(MGI)的品牌定位、现状及发展等。

 

【蒋慧】 华大智造秉承集团“基因科技造福人类”的理念,致力于基因科技的创新,提供实时(Real Time)、全景(Whole Picture)、全生命周期(Life Long)的生命数字化全套设备,为精准医疗、精准农业和精准健康等关系国计民生的实际需求提供先进设备、技术保障和解决方案。

现阶段,我们已经陆续启动多个平台技术研发,落实集团大科学、大产业、大民生贯穿的整体方针,武装全线的同时服务全社会,打造中国新兴产业的标杆。并已在海外成立分公司,形成了全球化的制造、营销和服务网络。目前我们已经组建了研发、生产、质量、供应链和营销多个中心,实现了全面能力建设,团队规模已经超过500人。在产品线方面,不仅仅推出了BGISEQ-500RS和BGISEQ-50RS两款测序仪,还推出了自动化建库系统BGISP-100,以及10余种建库和测序试剂盒,可以用于进行WGS、WES、转录组、表达谱、ChIP-seq、small RNA、单细胞测序等,此外为了支持和鼓励合作方在我们平台上开发测序应用,我们也提供了单独的环化试剂盒,在未来我们将推出更多不同领域的应用,比如联合推出农业和检验检疫方面的试剂盒。

华大智造以打造生命数字化全景未来为使命,用创新力量引领生命科技。因此,我们将不会仅仅停留在测序仪研发和生产上,将进一步拓展实现不同尺度和不同类型的生命相关数字化智能平台研制,从DNA、RNA、蛋白、代谢小分子、细胞、器官到个体,真正达到人人实时终生大数据采集和分析,实现“Your Life in Your Hands”。

Part 5.
【基因慧】基因产业从本质上看属于医疗大健康和工农业能源,基因慧从专业媒体和咨询角度去看,资源向政策方和资本方聚合。那么对于中小企业生存和发展空间您怎么看?在全产业链整合的窗口,我们看到MGI和艾吉泰康、联川生物、WeGene等下游公司均成为合作伙伴,那么MGI在此是扮演上游供应商角色还是可能类似illumina+Helix一样作为平台接入口呢?

【蒋慧】目前我国围绕这基因测序上中下游已经有数千家企业,并且依然保持了较快速的增长。对于行业来说,依然具有较大的发展潜力,我们可以看到大部分企业都集中在几个热门领域,对于中小企业来说,最为重要的基于核心技术或竞争力的细分领域定位。现在大部分测序仪集中在少数十几个企业中,这个对于研制具有差异化和竞争力的产品,快速拓展测序技术应用是比较不利的。

对于华大智造来说,我们希望能够为我国基因行业中的企业提供具有竞争力的平台,帮助企业建立自主研发和生产平台,协助开发新技术新产品,帮助加快从研发实验室到大规模产业化的转化。尤其是结合国内同样上游的企业提供更加本地化的解决方案。包括从实验室设计到认证、从测序仪硬件到实验室生产管理系统、从提供原辅材料到成品试剂盒、从前期培训到后期升级,最后的目标都是帮助更多企业快速发展。

从纳米级到毫米级,多组学生命数据研究

Part 6. 
【基因慧】在国家基因库,我们看到了除了壮观的BGISEQ测序仪阵列,还引进了西门子的磁共振设备、以及健康检测体验的“太空舱”,从纳米级到毫米级,是否意味着MGI关注点除了基因,也将生理、生化和影像等纳入大健康的产业体系?其中的连接点和落地点主要在哪些方面呢?

 

【蒋慧】 我们在持续进行科研突破和技术创新同时也在思索,是否测序数据已经足够揭秘生命奥秘?答案当然是否定的。尽管我们现在已经对基因组进行了大量研究,但是我们也会发现仅仅从一个层面解释生命数据远远不够,我们迫切需要整合其他组学数据,从跨尺度、大场景、多维度分析才有可能进一步了解疾病和健康的信息。这就是为什么我们需要补充其他数据实现系统化分析。以基因检测和影像为例,在产前检测中通过基因组学检测已经能够实现对于染色体疾病,比如21-三体综合征的准确检测。但是对于发病率第一位的先天性心脏病,就需要基因加影像才可能达到较好的防治目的,如何将两者信息有效结合实现准确诊断,需要大量临床数据积累和大数据智能分析方法开发。

基因产业边界延伸的合作点

Part 7. 
【基因慧】跳出来看,基因数据仍是大健康数据的一部分。从基因产业的边界外延来看,如果整合其他形式的医疗和健康资源或技术成为多维应用大数据,为医疗健康以及工农业能源赋能革新的话,那么您认为相对可落地的领域合作点有哪些呢?

 

【蒋慧】我们欢迎围绕着测序仪的不同领域应用开发,包括科研、医学、农业等领域。比如科研项目中常用的捕获建库技术,我们和艾吉泰康建立了合作,除此之外我们现在也在新型的Hi-C技术和单细胞测序技术等方面开展了合作。

在医学领域,我们和联川生物联合进行肺癌相关基因小区域靶向富集开发,希望后续能够为专注医学检测的企业提供更多更好的方案选择。

在农业领域,目前主要是在动植物育种和动植物疫病检测等领域开展合作。总体上来说,除了常规测序业务之外,我们也希望能通过合作在测序技术应用上开展更多拓展。此外,针对系统化解决方案部分,包括样本制备和数据分析等也是可以开展深入合作。

有人说华大是“中国基因产业的黄埔军校”,培养了一大批行业精英,行业发展不仅仅需要人,也需要平台和技术,现在希望华大的平台和技术能够进一步助力行业的发展,甚至是提供在华大平台上的培训。除此之外,我们也将开展多维度的合作,将联合蓝色彩虹等基金,为企业发展提供创业初期辅导和金融支持,助力企业发展。

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