[科普中國]-北大7位學(xué)者歷時(shí)7年刷新DNA測序精度

日前，北京大學(xué)黃巖誼教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在《自然—生物技術(shù)》期刊上在線發(fā)表《基于信息理論來修正錯(cuò)誤的高準(zhǔn)確度熒光產(chǎn)生DNA測序方法》，這標(biāo)志著我國學(xué)者已成功刷新DNA信息解讀的精確程度，從根本上提高了測序方法本身的精度，打破了國外在基因測序領(lǐng)域的技術(shù)壟斷，極大推動(dòng)了我國生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)的研究發(fā)展，同時(shí)今后有望為嬰兒基因突變檢測、循環(huán)腫瘤DNA等測序臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展提供更好的工具。

這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，包括北京大學(xué)教授謝曉亮、黃巖誼，博士后陳子天，博士研究生周文雄、喬朔、康力以及副研究員段海峰。7位成員分別來自化學(xué)、物理、生物等不同學(xué)科背景。

發(fā)明了糾錯(cuò)編碼測序法，大幅提升了基因序列測定的精度

眾所周知，生命之所以能夠代代相傳、生生不息，奧秘在于承載遺傳信息的DNA。人的基因組含有多達(dá)30億對(duì)堿基對(duì)，理論上有無窮的排列組合。而DNA的序列測定是進(jìn)一步研究和改造目的基因的基礎(chǔ)，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域意義重大。因此在科學(xué)家解讀遺傳密碼時(shí)，測序技術(shù)是強(qiáng)有力的解碼工具。

以前，中國的DNA測序技術(shù)在世界上處于第二梯隊(duì)，前沿科技仍被美國公司和科研機(jī)構(gòu)壟斷。中國的數(shù)千家測序服務(wù)公司只能斥巨資引進(jìn)國外測序儀，并不具備在技術(shù)源頭的解決方案，更沒有自己的測序儀。

“就像需要自己的飛機(jī)一樣，中國也需要自己的測序儀。如果一味借用別人的技術(shù)，將永遠(yuǎn)沒有機(jī)會(huì)領(lǐng)先?！闭浅鲇谶@種想法，黃巖誼帶領(lǐng)的課題組利用7年時(shí)間，發(fā)明了糾錯(cuò)編碼（ECC）測序法，自此，我國基因測序技術(shù)擁有了獨(dú)立自主的核心技術(shù)與知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

如同古埃及羅塞塔石碑一樣，碑上分別用古希臘文字、古埃及象形文字和當(dāng)時(shí)的通俗體文字刻了同樣的內(nèi)容，近代的考古學(xué)家對(duì)照3種語言版本內(nèi)容，解讀出古埃及象形文字。ECC測序方法同樣利用3種不同方式檢測同一序列，通過創(chuàng)建3個(gè)正交簡并序列，將信息冗余和測序過程結(jié)合，發(fā)現(xiàn)和糾正測序中產(chǎn)生的錯(cuò)誤，從而大幅提升基因測序精度。

以基礎(chǔ)研究促進(jìn)新技術(shù)發(fā)展，從根本上推動(dòng)應(yīng)用

“隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展壯大，競爭將越來越集中于‘上游’技術(shù)源頭。此次ECC測序方法的發(fā)現(xiàn)，正是從源頭把握住DNA測序方法，打破其他國家商業(yè)壟斷的鉗制，掌握核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)?！?黃巖誼介紹?！斑@是非常重要的原創(chuàng)文章，不是那種快速論文?！敝x曉亮表示，ECC測序方法將把下一代測序儀的精度大幅提升。

從中國制造向中國智造邁進(jìn)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)通過篩選優(yōu)良基因進(jìn)行育種、現(xiàn)代醫(yī)學(xué)通過DNA測序進(jìn)行疾病監(jiān)測與預(yù)防……DNA測序研究成果不僅促進(jìn)中國生命科學(xué)研究的發(fā)展，也能夠?yàn)槭澜缣峁┲袊腔??！半m然目前在一些領(lǐng)域我國依舊是跟跑階段，但是相信我們有潛力在未來成為領(lǐng)跑者?！?黃巖誼說。

ECC測序法研究成果屬于基礎(chǔ)前沿研究，是引領(lǐng)其他學(xué)科研究發(fā)展的原始創(chuàng)新與先導(dǎo)?！拔覀儚幕A(chǔ)科學(xué)出發(fā)推動(dòng)新的技術(shù)發(fā)展，才能從根本上推動(dòng)應(yīng)用。如同只會(huì)造車，沒有高度過硬的核心發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)也不行?！秉S巖誼介紹。

用7年的時(shí)間做一項(xiàng)研究，經(jīng)歷了科研難關(guān)、經(jīng)費(fèi)緊張、工作停頓、人員不穩(wěn)定等諸多問題?！昂芏鄷r(shí)候不能直接感覺到關(guān)鍵突破口在哪里，需要不斷摸索。很多已有知識(shí)不能直接應(yīng)用，需要融會(huì)貫通?！秉S巖誼介紹?！罢撐陌l(fā)表當(dāng)然很開心，但更重要的是科學(xué)研究自身的價(jià)值，和探索過程中的成就感?！边@是課題組成員的共同感受。

論文沒有秘密，希望與全球的科學(xué)家共享進(jìn)步

科學(xué)研究的美在于真理往往以同一本質(zhì)的不同面目貫穿于諸多學(xué)科之間。這也使得研究需要集合多方知識(shí)進(jìn)行探索。

測序技術(shù)的開發(fā)就涉及化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、微電子學(xué)、光學(xué)、材料科學(xué)和精密加工等多學(xué)科技術(shù)。

如果沒有近年陸續(xù)成立的北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院和包括團(tuán)隊(duì)成員所在的生物動(dòng)態(tài)光學(xué)成像中心等諸多跨學(xué)科研究中心，像ECC測序方法這樣的需調(diào)動(dòng)多方資源的復(fù)雜工程就很難組隊(duì)。黃巖誼表示，“將不同研究領(lǐng)域、研究背景的老師和學(xué)生聚集在一起，共同推動(dòng)科研發(fā)展，這才使得此次研究能夠融合多方智慧，最終獲得成功?！?/p>

承擔(dān)了關(guān)鍵的數(shù)學(xué)推導(dǎo)、算法優(yōu)化以及編程實(shí)現(xiàn)的團(tuán)隊(duì)主要成員、北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物物理學(xué)專業(yè)博士生周文雄表示，關(guān)鍵算法的誕生是來自一次偶然的課堂實(shí)踐。“美國國家科學(xué)院院士邁克爾·沃特曼教授的研究理論在70年代的生物信息學(xué)研究領(lǐng)域影響深遠(yuǎn)，我幸運(yùn)地在一次課堂活動(dòng)中獲得了與他訪談的機(jī)會(huì)。一天晚上做完實(shí)驗(yàn)回家的路上，我突然發(fā)現(xiàn)這一理論為課題提供了算法計(jì)算的靈感?！?/p>

當(dāng)然，一切大膽猜想都需要細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠∽C。在黃巖誼看來，“研究成果體現(xiàn)了基礎(chǔ)工作抽象原理的突破和工匠精神的完美結(jié)合。不僅要想得好，而且要做得好。用更好的技術(shù)，做更好的科學(xué)?！?/p>

研究過程中，搭建寬松的科研平臺(tái)，提供優(yōu)質(zhì)資源，學(xué)生得以不斷成長進(jìn)步，這一點(diǎn)使黃巖誼備感欣慰，“我國基礎(chǔ)研究發(fā)展的關(guān)鍵還是要培養(yǎng)創(chuàng)新人才，因?yàn)槲覀儾粌H要掌握造儀器的技術(shù)，還要培養(yǎng)一批能夠發(fā)明新儀器的年輕的尖端科學(xué)家?！?/p>

“我從做物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，一直到做分子生物學(xué)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)，從研究儀器、流體控制，最后到研究計(jì)算機(jī)算法?；叵肫饋恚媸鞘裁炊紝W(xué)到了?！闭撐牡牡谝蛔髡?、研究的主要推動(dòng)者陳子天博士表示，他最初加入課題組時(shí)還是北大化學(xué)系本科生，做著做著讀完了工學(xué)院博士，現(xiàn)在是生命科學(xué)學(xué)院的博士后。

ECC測序研究工作從啟動(dòng)到發(fā)表，歷時(shí)7年，其中經(jīng)歷種種挑戰(zhàn)與考驗(yàn)，但做出精品的過程是美的。“最初也沒想到會(huì)有這么艱難，但是慢慢就發(fā)現(xiàn)有趣的地方在哪兒了。這篇論文沒有秘密，希望我們所有的理解、發(fā)現(xiàn)、進(jìn)步，都能與全世界的科學(xué)家共享?！秉S巖誼說。

更多精彩！歡迎關(guān)注“科普中國-科技前沿大師談”官方微信（kjqydst）。