本報記者 張佳星
把「命門」掌握在自己手中
一個不超過信用卡大小的矽基晶片上，密密麻麻陣列分布著幾千萬個「小室」。小室中正釋放噼啪的螢光。每一粒「珍珠」的串入，就會激發出相應螢光，螢光顏色提示了「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種鹼基，人們為鹼基加上對應的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佔有壟斷地位。我國華大智造在後發劣勢的情況下，通過技術引進和創新，採取不同的技術路線，換道邁進更快、更準的測序「金標準」。
螢光在百層「轉梯」上「炫舞」
1個DNA分子激發出的螢光很微弱，易受背景幹擾，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。方法是複製出幾百個同樣的序列，同步反應，同步釋放螢光，如同千百人一同吶喊。
傳統的方法是用PCR(聚合酶鏈式反應)複製出這「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，每根筷子再去複製，1變2、2變4，n輪之後，達到放大2的n次方的目標。
理論很完美，現實很骨感。PCR技術本身的不完美，使得複製的DNA會出錯，「和聲」中一旦出現「濫竽充數者」，將難以檢測準確。
PCR的不完美在於兩個方面。一個是錯誤累積。PCR的複製是傳遞複製，就像綜藝節目裡的「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。
有什麼辦法能夠擺脫PCR的這些短板？「如果只複製原版，那麼錯誤累積的問題就會解決。」汪婧婧說。
華大智造採用了滾環擴增技術。「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。
萬裡挑一，合成新酶促成精妙滾環
「滾環複製是指複製出千百條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，複製好的DNA會螺旋下來，最終得到經過複製「擴大」的DNA鏈。
「基於物理原理，它在測序的小室裡會自然地團成球狀。」汪婧婧說，「我們稱之為納米球。」但如果「拎」起來，就會像一條百餘層的旋轉樓梯，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製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……單個小室裡會發生什麼，與酶的選用息息相關。汪婧婧介紹，團隊通過熟悉酶與DNA的相互作用關係，通過設計酶的結構，包括蛋白組成、1、2、3級的摺疊結構等來對酶的性能進行操作，並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，尋找酶最活躍的環境，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，最開始一個小室裡一次只能讀50個鹼基，直到現在能夠讀到最長的400個鹼基，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公司獲取核心專利技術，實現核心工具的自主可控，到真正擁有自己的核心專利，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，追趕並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最低的價格獲得最優的服務。
創新繼續，不讓鹼基受損
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，它拋棄了螢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。
「人們在鹼基上加了螢光基團，可能會讓鹼基受到損傷，所以才不能提高讀長。」汪婧婧表示，那麼如果不讓鹼基受損傷，會不會進一步改良高通量測序技術呢？為此，華大智造發明了螢光與鹼基結合的新方法——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，團隊在抗體上連接螢光，再通過抗體與4種鹼基的特異性結合，也實現了對4種鹼基的識別。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，鑽得越精深，越能達成目標。每種技術路徑都可能是對的，關鍵在於有沒有工匠精神，完成對整個體系的精雕細刻。