在剛剛結(jié)束的一年一度的基因組生物學(xué)技術(shù)進(jìn)展大會(huì)(AGBT)上，華大智造攜旗下的Complete Genomics（以下為CG）重磅推出了超高通量測(cè)序平臺(tái)DNBSEQ-T20×2，一時(shí)間炸開了略顯乏味的測(cè)序圈話題熱議。

　　MGI全線登陸，CG閃耀重返

　　經(jīng)歷第一波基因測(cè)序開發(fā)熱潮的人們都還記得CG。CG創(chuàng)新性地推出了DNA NanoBalls (DNB) 測(cè)序技術(shù)，并以持續(xù)推動(dòng)基因組價(jià)格下降而為人知曉。

技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)基因組測(cè)序成本持續(xù)下降，預(yù)期將在今年底實(shí)現(xiàn)100美元基因組

　　2013年，華大集團(tuán)力壓當(dāng)時(shí)蒸蒸日上的Illumina，最終以1.176億美元的價(jià)格收購了CG。這無疑也將成為NGS歷史上最偉大的并購之一。因?yàn)镮llumina非但沒有通過并購淘汰CG這一當(dāng)時(shí)最有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，同時(shí)又多了華大這個(gè)事后將力主與其全球競(jìng)爭(zhēng)的強(qiáng)大對(duì)手。

　　華大收購CG不久就推出了桌面型臺(tái)式測(cè)序系統(tǒng)，后經(jīng)業(yè)務(wù)調(diào)整，CG又轉(zhuǎn)入并成為華大智造的核心。在成長(zhǎng)的6年中，華大智造基于DNB測(cè)序技術(shù)推出了6款測(cè)序平臺(tái)，成為了發(fā)展最快的測(cè)序儀廠商。

　　2019年，意氣風(fēng)發(fā)的華大智造在首次進(jìn)軍美國市場(chǎng)的時(shí)候遭遇了老對(duì)手Illumina的專利圍堵，雖然華大智造在絕境中推出了創(chuàng)新性CoolMPS化學(xué)，但也沒有逃過專利戰(zhàn)的阻擊。經(jīng)過近3年、波及20多個(gè)國家及地區(qū)的專利戰(zhàn)拉鋸，華大智造最終贏得了勝利，并于今年初宣布全線進(jìn)入美國市場(chǎng)。

　　這也是收購十年后，CG閃亮回歸美國市場(chǎng)。

　　開放式測(cè)序系統(tǒng)：測(cè)序工廠的基因傳承和創(chuàng)新

　　早在2008年，CG就提出要實(shí)現(xiàn)5000美元的人基因組測(cè)序，要知道就在這之前一年，DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)者詹姆斯·沃森的基因組測(cè)序完成耗資了100萬美元。要實(shí)現(xiàn)萬元以下的基因組測(cè)序，多少像是癡人說夢(mèng)！

　　但此時(shí)的CG不想像大多數(shù)測(cè)序公司那樣銷售機(jī)器，而是定位測(cè)序工廠提供測(cè)序服務(wù)（Sequencing-as-a-Service）。本質(zhì)上，CG設(shè)想能夠在一張載片上分析超過十億個(gè)放大的 DNB信號(hào)點(diǎn)，將如此多的信息放在一個(gè)陣列上可以減少載片的數(shù)量和進(jìn)行測(cè)序所需的昂貴試劑的量，加快數(shù)字成像的速度，最終通過規(guī)模效應(yīng)帶來單位成本下降。這樣一來就不需要考慮測(cè)序產(chǎn)品化的形態(tài)，不需要完全延續(xù)傳統(tǒng)的集成式測(cè)序高度整合生化、流體、光學(xué)等部件的設(shè)計(jì)，而是追求去中心化思路，為考慮實(shí)施開放式測(cè)序提供了契機(jī)。

DNBSEQ測(cè)序原理示意

　　沿著這條思路往前發(fā)展，CG在2015年推出了Revolocity系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)序生化與成像等模塊的分離，通過一個(gè)機(jī)械臂在不同模塊之間來回騰挪搬運(yùn)，實(shí)現(xiàn)無人值守的不停歇高通量測(cè)序。但當(dāng)時(shí)的華大取消了Revolocity的商業(yè)化，轉(zhuǎn)向了臺(tái)式集成式測(cè)序儀的開發(fā)及商業(yè)化。

　　Revolocity開放性、靈活性的基因卻并沒有因此泯滅，在華大智造的新架構(gòu)下，2018年，DNBSEQ-T7平臺(tái)震撼發(fā)布，日產(chǎn)數(shù)據(jù)高達(dá)6Tb（后經(jīng)過不斷的性能優(yōu)化，終于實(shí)現(xiàn)了7T/天的既定目標(biāo)），刷新了當(dāng)時(shí)的紀(jì)錄。T7平臺(tái)雖然是臺(tái)式封閉的設(shè)計(jì)，卻把那只揮舞的不知疲倦的機(jī)械臂的核心安置在了機(jī)箱內(nèi)里，首創(chuàng)了4聯(lián)芯片平臺(tái)，而4張芯片如同4臺(tái)測(cè)序儀一樣，能夠同時(shí)開展不同讀長(zhǎng)的測(cè)序，芯片隨時(shí)上機(jī)，運(yùn)行中的芯片也互不影響。T7現(xiàn)已成為華大智造的主力機(jī)型。

DNBSEQ-T7儀器內(nèi)部的機(jī)械手及四聯(lián)芯片設(shè)置

　　2020年，華大智造更進(jìn)一步，推出了DNBSEQ-T10×4平臺(tái)，這一次真實(shí)再現(xiàn)了Revolocity的情景，將原本集成式的測(cè)序系統(tǒng)拆解平鋪為多個(gè)核心組件，在空間上將生化流體與成像分離，并使用大型開放式載片而非固定密封且加蓋式流動(dòng)槽來承載 DNB陣列，平臺(tái)中央的機(jī)械臂在幾個(gè)流體浸沒站和熒光成像儀之間移動(dòng)載片，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)序反應(yīng)的順次進(jìn)行。這形象地向人們展示了測(cè)序工廠是如何運(yùn)作的，而測(cè)序本身也被賦予了生命。T10載片比 T7 的流動(dòng)槽在規(guī)格上大四倍，DNB 在T10載片上的密度是 T7 陣列上的兩倍。T10系統(tǒng)可同時(shí)運(yùn)行8張這樣的載片，在PE150測(cè)序模式下運(yùn)行6天可產(chǎn)出近120Tb數(shù)據(jù)量，日產(chǎn)數(shù)據(jù)量高達(dá)18Tb，生產(chǎn)效率是T7的3倍。

　　這樣開放式測(cè)序系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使人眼前一亮，但對(duì)于華大智造來說，這已經(jīng)不是測(cè)序工程化的新思路，它更像是對(duì)CG一以貫之的高效測(cè)序工廠理念的傳承和致敬，但卻為持續(xù)提升測(cè)序通量、降低測(cè)序成本、以至實(shí)現(xiàn)100美元基因組提供了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的框架。

　　超級(jí)測(cè)序工廠T20重磅問世

　　與T10定制化的形態(tài)不同，此次華大智造/CG推出的T20實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)序設(shè)置。

　　2020年推出的T10×4 RS(RS為Research的縮寫) 由4臺(tái)光學(xué)系統(tǒng)和1臺(tái)生化反應(yīng)系統(tǒng)組成，作為“大人群基因組學(xué)一站式解決方案”的核心測(cè)序模塊，通過搭配樣本前處理、文庫制備、基因數(shù)據(jù)管理等其他模塊，實(shí)現(xiàn)樣本到報(bào)告的全程自動(dòng)化，這一全流程可根據(jù)客戶需求定制數(shù)據(jù)通量。

　　相比之下，T20x2占用空間比T10x4小不少，配備了 2 個(gè)成像器和一個(gè)可處理 6 個(gè)載片的旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂，固定搭載PE100（每次運(yùn)行產(chǎn)生42Tb）和PE150（每次運(yùn)行產(chǎn)生72Tb）兩種測(cè)序模式。一套T20每年可以產(chǎn)生多達(dá) 5萬個(gè) WGS，真正兌現(xiàn)了100美元基因組的承諾（30倍覆蓋度的人類基因組測(cè)序，包含了儀器折舊）。

T20沿用了華大智造創(chuàng)新的浸沒生化技術(shù)

　　開放式測(cè)序的體系設(shè)計(jì)背后的重要支撐是華大智造創(chuàng)新的浸沒式生化技術(shù)，將合成測(cè)序所經(jīng)歷的“聚合”、“沖洗”和“熒光基團(tuán)切除”等步驟所需的試劑分別放置在多個(gè)反應(yīng)槽中，每個(gè)反應(yīng)槽都擁有獨(dú)立精準(zhǔn)的溫度控制確保反應(yīng)的高效進(jìn)行。使用反應(yīng)槽的好處在于可以最大化浸沒整個(gè)測(cè)序載片來完成生化反應(yīng)，T20使用了從整個(gè)硅晶圓上切下的大型載片，同時(shí)在同一試劑槽中也可以實(shí)現(xiàn)多張載片的同時(shí)浸沒反應(yīng)和多次反應(yīng)使用。而無表面蓋板測(cè)序載片上的浸入式流體技術(shù)可在這些大型載片的整個(gè)表面上實(shí)現(xiàn)非常均勻的反應(yīng)，不受泊松分布的限制，既最大化信號(hào)點(diǎn)的覆蓋又減少了試劑的浪費(fèi)，確保了最大通量和最低成本。

　　6張載片的同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)使得單次運(yùn)行通量遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的“高通量”測(cè)序儀，而這一超高通量也對(duì)光學(xué)成像、圖像識(shí)別及數(shù)據(jù)傳輸提出了超高的要求。提高光學(xué)的利用率是解決高速高通量檢測(cè)的必然出路。T20使用了浸沒式水物鏡，以提高鏡頭的數(shù)值孔徑，進(jìn)而提高信號(hào)點(diǎn)分辨率；另外從發(fā)布的介紹視頻也可以看出，T20使用的鏡頭采用了增大的視場(chǎng)，這可以增加圖像捕獲面積，配合快速的TDI掃描提供了高速高通量信號(hào)捕捉。

T20采用了大視野的浸沒式水物鏡

　　這樣一來，挑戰(zhàn)似乎就留給了如何快速地進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)分析。T20使用了專有的兩色測(cè)序技術(shù)，與四色測(cè)序相比，既減少了光學(xué)器件的使用，同時(shí)也一定程度上降低了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度。但不管怎么說，圖像處理背后的算法優(yōu)化都會(huì)是一個(gè)繁重的任務(wù)，包括數(shù)據(jù)壓縮等創(chuàng)新一定也是少不了的。

　　不管是T10還是T20，在實(shí)現(xiàn)超高通量這條路上，華大智造提供了開放式測(cè)序的路徑選擇。最大化晶圓載片的信號(hào)密度，多組載片并行測(cè)序，再結(jié)合浸沒式生化所能提供的試劑成本降低，T10/T20的開發(fā)思路再次驗(yàn)證了測(cè)序規(guī)模提升帶來單位成本下降的邏輯。但通量還能不能繼續(xù)提升、成本還能不能繼續(xù)下降、測(cè)序速度還能不能更快，如果從“集成式還是開放式”的角度來對(duì)比的話，似乎開放式測(cè)序仍留有想象空間。

　　大規(guī)模組學(xué)項(xiàng)目告別“束手束腳

　　T20創(chuàng)造了基因測(cè)序儀單次運(yùn)行最大通量的新紀(jì)錄，堪稱一座具備超強(qiáng)生產(chǎn)規(guī)模的“超級(jí)測(cè)序工廠”。消息發(fā)布的第一時(shí)間，相信很多讀者的第一反應(yīng)也是“需要這么大通量嗎”“這能賣得出去嗎”。

　　對(duì)比市面上這幾套高通量測(cè)序平臺(tái)，可以發(fā)現(xiàn)T20不管是在最大日產(chǎn)數(shù)據(jù)量還是每次運(yùn)行的數(shù)據(jù)產(chǎn)出上都要比Illumina今年發(fā)貨的NovaSeq X系列高出幾倍。華大智造在T20的產(chǎn)品宣傳冊(cè)中稱T20是為滿足最具挑戰(zhàn)性的測(cè)序需求而生，旨在為世界各地的大規(guī)?；蚪M項(xiàng)目提供助力，為多組學(xué)在人類健康與疾病中的研究和應(yīng)用提供工具。實(shí)際上，T20定位就是大人群和大組學(xué)項(xiàng)目，服務(wù)基因組的規(guī)?；a(chǎn)。

主流高通量測(cè)序平臺(tái)的參數(shù)對(duì)比

　　建設(shè)者在之前的文章中也分析了，不管是全球各地正在興起的十萬、百萬級(jí)人群測(cè)序計(jì)劃，還是對(duì)于動(dòng)植物生態(tài)保護(hù)研究的基因組組裝測(cè)序項(xiàng)目，都逐漸被各測(cè)序廠商所重視，畢竟還有相當(dāng)大的待測(cè)序空間。另一方面，隨著單細(xì)胞滲透科研視野，隨著轉(zhuǎn)錄組、蛋白組等其他組學(xué)技術(shù)的開發(fā)和采用，多組學(xué)測(cè)序需求正在快速生長(zhǎng)。由于海量數(shù)據(jù)及規(guī)模化生產(chǎn)的特性，這些人群隊(duì)列、多組學(xué)項(xiàng)目對(duì)于測(cè)序工具的要求也逐漸個(gè)性化、差異化。

　　華大智造在最近的一次演講中也提到其服務(wù)戰(zhàn)略的三大方向，瞄準(zhǔn)“人群基因組計(jì)劃”、“單細(xì)胞”、“時(shí)空組學(xué)”這三個(gè)大需求去做賦能建設(shè)。而T20的誕生無疑為“三箭齊發(fā)”提供了完美的彈射器。

　　最終，大型生產(chǎn)級(jí)客戶只需要一套T20就能解決大規(guī)模組學(xué)項(xiàng)目的需求，而不需要購買多套常規(guī)高通量測(cè)序設(shè)備，不需要并列3套或者6套的迷你測(cè)序儀方陣，所有重任可一肩挑。

　　生命科學(xué)“工業(yè)4.0”的時(shí)代來

　　當(dāng)然，華大智造產(chǎn)品組合中不只有T20，在不同的測(cè)序場(chǎng)景中，智造提供了覆蓋“低-中-高-超高”通量的測(cè)序平臺(tái)。然而與Illumina戰(zhàn)略進(jìn)入下游基因檢測(cè)應(yīng)用不同，華大智造越來越明確提供工具的角色定位。

　　定位在核心工具的提供上，賦能和合作生態(tài)也是華大智造提得比較多的主題。這不只是從測(cè)序工作流程上去講，也包括推動(dòng)測(cè)序應(yīng)用行業(yè)開發(fā)，甚至是帶動(dòng)整個(gè)測(cè)序核心元部件供應(yīng)鏈發(fā)展的維度。

　　事實(shí)上，華大智造在測(cè)序流程上，可提供端到端“樣本到數(shù)據(jù)”的高通量自動(dòng)化解決方案，在核心測(cè)序之外，華大智造可以提供自己的樣本前處理、文庫制備及數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，甚至包含生物樣本庫的平臺(tái)。但從公開的消息可以看到，華大智造也還在積極構(gòu)建或擁抱上游文庫制備和下游生信分析的合作，不管是與國內(nèi)的開發(fā)商合作服務(wù)國內(nèi)市場(chǎng)，還是CG在美國選擇其他不同的海外合作伙伴，都希望客戶正在使用的工作流程最終都能順利轉(zhuǎn)移并在DNBSEQ測(cè)序平臺(tái)上實(shí)施開展。這樣的系統(tǒng)兼容性對(duì)于推動(dòng)客戶采用自己的測(cè)序平臺(tái)很關(guān)鍵，但同樣重要的是，這促進(jìn)了上游樣本/文庫制備和下游生信方案的持續(xù)創(chuàng)新開發(fā)，推動(dòng)了測(cè)序上下游工作流程的同步發(fā)展，榮辱與共。

　　DNBSEQ測(cè)序技術(shù)經(jīng)過了多年開發(fā)及市場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試，基于DNBSEQ測(cè)序平臺(tái)所發(fā)表的經(jīng)過同行評(píng)議的文章數(shù)量已經(jīng)接近4000篇。這無疑為考慮選擇DNBSEQ測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行基因測(cè)序的應(yīng)用開發(fā)提供了最大的背書。公司剛剛宣布了華大智造國產(chǎn)測(cè)序聯(lián)盟的首批成員，涉及了腫瘤、分子育種、科研服務(wù)、單細(xì)胞等不同的測(cè)序應(yīng)用開發(fā)商。國內(nèi)企業(yè)選擇國產(chǎn)測(cè)序平臺(tái)其實(shí)是在情理之中，隨著國內(nèi)供應(yīng)鏈、生產(chǎn)、本地支持等發(fā)展程度的提升，客戶可以預(yù)期更加穩(wěn)定的國產(chǎn)供貨和交付。此外，華大智造在推動(dòng)測(cè)序成本不斷下降這方面的努力自然也構(gòu)成了合作的一大理由。

　　華大智造IPO時(shí)提交的文件提示，公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大部分測(cè)序儀核心零部件的國產(chǎn)化取代和供應(yīng)，并在持續(xù)提升這一國產(chǎn)化率。從寡頭壟斷到如今的百花齊放，行業(yè)蓬勃發(fā)展的背后是伴隨行業(yè)成長(zhǎng)起來的國產(chǎn)化基礎(chǔ)建設(shè)。華大智造成長(zhǎng)為國產(chǎn)龍頭也帶動(dòng)了一批國產(chǎn)供應(yīng)鏈的共同成長(zhǎng)，包括硅晶圓、測(cè)序芯片設(shè)計(jì)制造、光學(xué)器件、微流體、精密儀器控制等配套供應(yīng)鏈的成熟和支持無疑會(huì)推動(dòng)國內(nèi)測(cè)序行業(yè)的更進(jìn)一步發(fā)展。

　　隨著第二波測(cè)序應(yīng)用開發(fā)浪潮的興起，在2023年當(dāng)下這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，測(cè)序市場(chǎng)誠然擁有了Illumina之外的選項(xiàng)。這對(duì)于下游應(yīng)用開發(fā)及終端用戶來說都是一大幸事，不光是多了很多選擇，同時(shí)在上游良性商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)的技術(shù)革新下可以享受測(cè)序成本下降帶來的便利。隨著T20的100美元基因組如期而至，測(cè)序應(yīng)用的更多想象空間將被打開。

　　華大智造經(jīng)歷了這么多年的積累沉淀愈顯成熟，加上其愈加豐富的產(chǎn)品組合，其愈加開放的合作生態(tài)，其擁抱更大市場(chǎng)的決心，其推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的組局者心態(tài)，無不讓人要再次去仔細(xì)審視這家公司。

　　生命科學(xué)“工業(yè)4.0”的時(shí)代來了。