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医疗技术

刷新DNA测序精度 请看中国方法

来源:环球医学编写    时间:2017年12月19日    点击数:    5星

在国际顶尖期刊上沉寂多年的测序方法研究领域日前迎来了一篇重磅论文:北京大学黄岩谊教授带领的团队在《自然•生物技术》在线发表《基于信息理论来修正错误的高准确度荧光产生DNA测序方法》。我国学者用“优雅”新方法成功刷新DNA信息解读的精确程度,从根本上提高了测序方法本身的精度。

这个研究团队包括北京大学教授谢晓亮、黄岩谊,博士后陈子天,博士研究生周文雄、乔朔、康力以及副研究员段海峰。7位成员均来自北京大学北京未来基因诊断高精尖创新中心,分别来自化学、物理、生物等不同学科背景。

中国的DNA测序技术之前在世界上处于第二梯队,前沿科技仍被美国公司和科研机构垄断。中国的数千家测序服务公司当初只能斥巨资引进国外测序仪,并不具备在技术源头的解决方案,更没有自己的测序仪。

测序技术的开发正是这样一个跨学科、高度综合的技术活,涉及生物医学、计算机、微电子学、光学、材料科学和精密加工等多学科技术。

这一工作从启动到发表,历时7年,其中种种挑战与考验,也是论文的作者们未曾预料到的。“我觉得把它做成,我个人评价还是蛮优雅的。”黄岩谊说,“最初也没想到会有这么艰难,但是干了也就干了,慢慢你就发现它有趣的地方在哪儿了。”

“就像需要自己的飞机一样,中国也需要自己的测序仪。如果一味借用别人的技术,将永远没有机会领先。”正是出于这种想法,黄岩谊带领的课题组发明了纠错编码(ECC)测序法。自此,我国基因测序技术拥有了独立自主的核心技术与知识产权。

陈子天说,在2+2方案中(两种碱基与两种碱基反应),即使每一个反应都无法确定碱基种类,也可以通过多轮测序结果,经由算法进行纠错和校正,从而推导得到一个精确的序列。

这种策略在通信等领域中被称作ECC,是一种能够实现“错误检查和纠正”的技术,已经存在并应用了半个世纪的时间。其实质是通过对信息存储和传递过程进行有效编码,可极大消除信息存储和传输错误出现的可能性。

2014年秋,历经改进化学,测试动力学,优化算法,反复多次之后,黄岩谊组在实验中拼出来三个序列,然后开始不断重复,折磨了几个月,终于验证了ECC测序法。与主流测序化学方法比较而言,ECC不仅检测快速,而且准确度很高,兼具优点。

2015年春节过后,整个课题组陷入到另外一种煎熬之中——怎么把这种新的测序方法给别人讲清楚。“我们很努力,反复修改我们的表述,数学的展示方式,花了很长时间画图,数学描述也花了将近一年时间,才把文章投出去。”黄岩谊说。

最终上线的这篇革命性测序方法的文章只有8页,然而作为它的附件文档,却长达109页。其中事无巨细地交代了化学原理、实验方案、数学描述、计算模拟、工程实现等等细节。

“整个实验一环扣一环是怎么解决的,我们是怎么思考的,以后还有什么别的应用,我们可以公开给大家讲,很多东西都放进去了。”黄岩谊说,“这篇论文没有秘密,我们全部公开,希望别人理解里面优美的地方。很难的地方,能够知道我们是怎么做的。”

从中国制造迈向中国智造,DNA测序研究成果不仅促进中国生命科学研究的发展,也能够为世界提供中国智慧。我们有潜力在未来成为领跑者!


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