華大智造助力“測序+合成”交叉領(lǐng)域融合

2022.8.10

進(jìn)入21世紀(jì)以來，人類世界的數(shù)據(jù)信息增長速度急劇增快，隨著數(shù)據(jù)量級越來越大，在可預(yù)見的未來，基于傳統(tǒng)硅基儲存介質(zhì)的儲存方式將不可避免地陷入資源枯竭的困境。因此，開發(fā)新的儲存技術(shù)就顯得尤為重要。

DNA是自然生物儲存遺傳信息的載體——在細(xì)胞核尺度的空間里，就能儲存一個(gè)物種所有的遺傳信息，信息存儲密度非常之高。因此，在數(shù)據(jù)儲存的發(fā)展方向中，DNA存儲技術(shù)是一個(gè)誘人且富有希望的選項(xiàng)。但目前的DNA存儲技術(shù)也存在一些亟待解決的難題，例如DNA合成成本高、讀取速度慢、錯誤率高等等。

7月23日，在2022年數(shù)字經(jīng)濟(jì)與生命健康產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展峰會上，由華大智造聯(lián)合華大生命科學(xué)研究院、國家基因庫、生工生物、聯(lián)川生物、擎科生物、騰訊醫(yī)療健康等多家BT和IT機(jī)構(gòu)共同發(fā)起的《DNA存儲藍(lán)皮書》正式發(fā)布（文末可免費(fèi)下載），華大智造執(zhí)行副總裁劉健受邀分享了主題報(bào)告《DNA存儲領(lǐng)域的工具支撐》。

“每一個(gè)新技術(shù)出現(xiàn)后，它并不是一定要去替換掉所有應(yīng)用場景里面的現(xiàn)有技術(shù)，而是面向他的主要需求和最適合的場景，比如DNA存儲技術(shù)的出現(xiàn)，并不是就要把現(xiàn)有的存儲方式例如U盤替代掉?！眲⒔”硎?，“對于DNA存儲的技術(shù)方向，我們選擇的方向是‘高通量、高載量、自主可控低成本’，如歐陽院士在會上所說，DNA存儲最適合的應(yīng)用場景可能是面向80%的低活躍數(shù)據(jù)。通過自主可控的高通量低成本工具不斷快速迭代，把握DNA存儲未來的快速發(fā)展機(jī)遇期?！?/p>

作為合成生物學(xué)領(lǐng)域的代表性應(yīng)用之一，DNA存儲技術(shù)是一項(xiàng)著眼于未來的具有劃時(shí)代意義的先進(jìn)技術(shù)。DNA存儲是由DNA高通量合成與測序技術(shù)催生的信息與生物相融合的新領(lǐng)域，通過DNA分子的堿基序列直接編碼數(shù)字信息，由高通量合成技術(shù)合成DNA序列進(jìn)行信息寫入，并利用高通量測序技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息的讀取，以實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的信息還原。在這個(gè)過程中，合成技術(shù)的自動化、測序工具的選擇和測序平臺的應(yīng)用效率，非常重要。

目前，面向合成技術(shù)的自動化平臺搭建，針對不同的技術(shù)路線，華大智造提供相應(yīng)的自動化工作站和全流程的自動化產(chǎn)線。無論是從液體配制到基因組裝PCR反應(yīng)、PCR產(chǎn)物純化、產(chǎn)物均一化，還是DNA連接反應(yīng)等多個(gè)基因合成工序之間的集成化和自動化，華大智造均可基于自動化樣本制備系統(tǒng)MGISP-100/960、MGISP-Smart 8等標(biāo)準(zhǔn)的自動化工作站進(jìn)行專業(yè)的需求響應(yīng)、定制開發(fā)和快速交付。

基于華大智造MGISP-960定制開發(fā)的自動化基因拼裝工作站

特別地，針對高通量DNA存取集成自動化的需求，華大智造采用工位流水線的設(shè)計(jì)理念和“智惠實(shí)驗(yàn)室”的系統(tǒng)化管理理念，基于自動化產(chǎn)線MGIGLab平臺能夠?qū)⒍嗫畈煌δ艿膬x器進(jìn)行整合，從而形成一條高度自動化的流水線或一套完善的智能化系統(tǒng)：即融合物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)，配備實(shí)驗(yàn)室管理信息化系統(tǒng)MGI ZLIMS，對整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程的樣本、試劑、耗材信息進(jìn)行追溯管理和生產(chǎn)調(diào)度，從而打造DNA合成的生產(chǎn)級平臺，實(shí)現(xiàn)合成?DNA的自動化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；a(chǎn)，最終推動整個(gè)合成產(chǎn)業(yè)的快速擴(kuò)展。

與此同時(shí)，基因測序儀在DNA存儲技術(shù)中扮演“解碼器”的重要角色。由華大智造推出的DNBSEQ測序平臺以高準(zhǔn)確度和高敏感度、低標(biāo)簽跳躍（Index Hopping）和低重復(fù)序列率（Dup Rate）等特點(diǎn)在業(yè)內(nèi)著稱。一方面，DNBSEQ平臺采用滾環(huán)復(fù)制擴(kuò)增技術(shù)，每次擴(kuò)增都是以原始的DNA單鏈環(huán)為模板，有效地避免了PCR擴(kuò)增錯誤指數(shù)積累的問題，保證測序的高保真性；另一方面，DNB在溶液里面完成制備，在loading過程中沒有聚合酶、引物和dNTP等PCR條件。因此，基于DNBSEQ平臺的測序結(jié)果Dup率低、可用數(shù)據(jù)多、數(shù)據(jù)利用率高，有助于加速如DNA存儲等前沿科研應(yīng)用成果的產(chǎn)出。

2022年5月，Nature Computational Science?期刊以封面文章形式報(bào)道了深圳華大生命科學(xué)研究院合成生物學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的題為：Towards Practical and Robust DNA-Based Data Archiving Using?‘Yin-Yang Codec’?System?的研究論文。

沈玥等對團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的陰陽雙編碼進(jìn)行的一系列DNA存儲數(shù)據(jù)恢復(fù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：首先，通過稀釋獲得了不同濃度的樣本；然后，采用華大智造自動化平臺進(jìn)行了文庫制備；最后，采用華大智造測序平臺DNBSEQ-T7和DNBSEQ-E5對每組樣本進(jìn)行了測序解讀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在平均分子數(shù)≤100?的情況下，數(shù)據(jù)恢復(fù)率仍能達(dá)到88%。其中，針對大量樣本的批處理，一般選擇DNBSEQ-T7；針對亟需驗(yàn)證的少量樣本，如將信息合成在酵母基因組中的小型基因組測序解讀，則可選用DNBSEQ-E5。

以合成生物學(xué)、腦科學(xué)、再生醫(yī)學(xué)等一系列前沿研究為代表的生命科學(xué)領(lǐng)域正在孕育新的變革。作為國產(chǎn)高端智能制造的核心力量，華大智造立志為前沿科學(xué)打造可信賴的基礎(chǔ)工具和平臺，加速科學(xué)研究。

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