探秘国家基因库:逾千万生物资源样本“安居”
2017-03-28 10:01:00 作者:苏梓威 陈熊海 李美蓉 来源:南方日报

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在国家基因库门口,有着几头猛犸象的雕塑,下面书写着“永存才能永生”,揭示了基因科学的理念。鲁力 摄

近期,科技界最大的新闻之一,无疑是有深圳科学家参与的“酵母基因组人工合成项目”,这一系列成果形成了7篇论文,于3月10日以封面专题的形式在《科学》上发表,其中4篇论文主要由中国科研团队完成,第一作者、通讯作者均为中国科学家。这意味着,中国科学家正从“读懂生命”向“再造生命”迈进。

 “华大基因充分发挥基因测序专长,天津大学也在基因修改上进行技术创新,我们在大平台构架下‘各显神通’。”项目组成员、清华大学研究员戴俊彪表示,基因测序部分的工作与华大合作,充分利用深圳企业专长,项目组无需组建一个团队专门做基因测序,效率大幅提升。

事实上,除了项目核心成员华大基因,此前刷爆不少人微信朋友圈的国家基因库,在该项目中也扮演着重要角色。深圳国家基因库执行主任徐讯表示,合成生物学是国家基因库构建的“三库两平台”中的合成与编辑平台,目前已初具规模。

颇具神秘感的国家基因库究竟长什么样?又将在国家重大科研项目中扮演怎样的角色?为此,记者走进这个位于深圳大鹏新区中国首个、全球最大的综合性基因库。

1 “永存才能永生”

有DNA样本 猛犸象可以“复活”

山海交映,在远离都市喧嚣、生态资源丰富的大鹏新区的观音山一侧,藏着一个重要的科研机构——深圳国家基因库。

身处国家基因库,就如同来到了一个山野公园,国家基因库外形梯田状的设计也使得其与周围环境融为一体。坐落于山间,外面有水池,水池里面有黑天鹅,为科研人员提供了良好的工作环境。

在国家基因库的门口,有着几头猛犸象的雕塑,下面书写着“永存才能永生”,揭示了基因科学的理念。为何放置猛犸象雕塑?国家基因库执行主任徐讯解释,猛犸象是消失物种,但其细胞得以完整保存,可从中提取DNA样本并可能恢复胚胎,有合适母体即可复活猛犸象,这也足以证明国家基因库对生物多样性的重要意义。

这一理念,也是国家基因库的组成部分“三库两平台”的核心功能。“三库”由生物样本资源库、生物信息数据库和生物活体库组成,“两平台”为数字化平台、合成与编辑平台,以具备对海量生物资源“存、读、写”的能力。国家基因库相关负责人告诉记者,国家基因库一期总建筑面积4.7万平方米,按照既定目标,一期完成了“三库两平台”的搭建。

简单来说,从生物样本中提取DNA样本,再进行建库、测序的步骤,以获得基因排列分布数据,这是数字化平台的主要作用,也就是“存”;而合成与编辑平台则刚好与这一过程相反,是“懂、用”,基于获得的基因数据实现超高通量、超低成本的基因组合成与编辑,把基因合成和编辑的技术再次用于生物样本的改造,并应用于农业、海洋等领域。“三库”则是这一过程的硬件配套。

在“酵母基因组人工合成项目”这项世界性的重大科研项目中,深圳力量是浓墨重彩的一笔,国家基因库便扮演着重要角色。

2 “三库两平台”

实现对生命的“存、读、写”

徐讯表示,国家基因库构建的“三库两平台”中的合成与编辑平台,目前已初具规模。而人工酵母染色体的合成是此平台发展中的标志性成果和重要突破,则为“基因组合成2020计划”重大目标的实现奠定了基础。

他透露,“基因组合成2020计划”将在2020年前完成四大突破,包括第一个人造动物——线虫、第一种人造植物——拟南芥、第一条人源21号染色体、万种人工噬菌体的合成。

徐讯告诉记者,四大计划是国家基因库公益性的研究项目,同时也将带来新的产业孵化机遇,“我们希望进一步践行基因库共享、共有、共为的理念,通过大联盟、大合作、大资源推动大科学项目进展,持续保持深圳在生命科学领域全球引领性地位。”

项目组成员、深圳国家基因库合成与编辑平台负责人沈玥表示,国家基因库的特点就是“存、读、写”,项目组把基因库所有可用资源都用上了,“目前所有合成完的菌株,以及未来针对每一个基因功能元件定量、定性的存储都会在国家基因库中有所体现。”

国家基因库快速发展的背后,离不开深圳这片创新沃土。深圳“十三五”规划纲要中,特别强调了“增强源头创新能力”,布局建设一批具有国际先进水平的科技基础设施,形成重大源头创新与前沿突破的强力支撑。

以基因研究、超材料为代表的深圳基础研究在国际舞台上大放异彩,深圳更是在去年启动了10个基础研究中心建设,这对国家基因库的启发可着实不小。

 “在鼓励性的政策下,国家基因库将在未来数年内不断拓展,建立和完善贯穿全生命周期的‘三库两平台’,实现‘存、读、写’。”国家基因库相关负责人说,国家基因库将持续作为一个科学共享平台,将不断完善合作模式与机制,拓展全球多领域合作,建立全球化的合作联盟,形成高端科学技术智库。

3 完全展开运作

已具备2000万份可溯源样本存储能力

和去年9月国家基因库刚刚开业时相比,记者发现国家基因库已完全展开运作。

国家基因库3楼是基因测序区域,摆放着华大基因自主研发的150台BGI-Seq500基因测序仪,以及一台Revolocity超级测序仪,现场只需10余名工作人员便可完成管理。工作人员告诉记者,这些仪器都是“傻瓜型”,人工提取DNA样本后,经过处理装载到芯片上,就可以放入测序仪进行测序了,测序时间以小时为单位计算,而超级测序仪则是通过机械臂代替人工装载测序样本。

华大基因作为中国的代表团队之一,主导了“人工合成酵母基因组计划”中2号染色体的从头设计与全合成,这离不开其多年的技术积累。华大基因团队简化了原有的基因组,设计了许多特殊的“元件”,增加了人工设计的“开关”,简化了编码,充分展现人类对于基因组编写能力已接近于计算机语言的可用性。

这些测序仪每天产生大量的数据,通过国家基因库4楼的生物信息数据库(干库)以及与基因库合作的云平台,面向全球的科研机构、企业。目前数据库可实现对基因信息数据总量达500Pb的访问支持,基因信息数据存储能力达60Pb,并开始向各科研机构提供生物信息检索、比较、分析等服务。

这是一个什么概念?若以一部高清电影2Gb、一首歌5Mb来算,那么60Pb相当于超过3000万部高清电影,近130亿首歌曲,由此可见国家基因库数据存储量之庞大。

生物样本资源库(湿库)一期位于国家基因库5楼,其拥有数十台冷柜,拥有4、-80、和-200等液氮储存场所,不同的样本根据使用需求选择适宜的“居住场所”。

据介绍,生物样本资源库已具备2000万份可溯源样本存储能力,已存储包含细胞、血液、组织等多种生物资源样本超过1000万份。通过建立生物样本库建库的标准规范,可为科研、医药、临床等工作者提供实验技术服务提供和执行全面的解决方案,推动相关产业发展。

再往上走一层,记者来到了一个较大的休息区,椅子的形状像是洋葱细胞壁,支架则参照了碳原子结构,科技感十足。7层主要为基因合成与编辑平台的实验室,用来“写”基因,一系列仪器可实现多种DNA高通量、低成本、自动化合成。

深圳国家基因库执行主任徐讯表示,国家基因库是全世界最大的综合性基因库,1期建成后,综合能力世界第一,包括可访问数据量和数据存储能力是世界第一,可访问样本量和样本存储能力也是世界第一。

4 汇聚集体智慧

基因库将充分发挥“盟主”作用

为什么要建造一个国家级的基因库?徐讯的回答是:“我们试图将生物活体库打造成中国的‘诺亚方舟’,保护和保存全球约30万种植物、百万种动物、近千万种微生物活体资源。”国家基因库执行主任、华大基因研究院院长说。

国家基因库是一项生命科学时代的最基础设施。”中国工程院院士李国杰这样描述国家基因库运营的意义,“基因库的意义应放在更长远的时间轴来理解,地球进化几十亿年才有了生命。整个宇宙100多亿年的进化集聚在基因里。保存这些基因并进行研究是件了不起的事。”

在国家基因库主任、华大基因农业集团董事长兼总裁梅永红看来,国家基因库比银行金库还要宝贵,“生命科学时代的核心资源是基因,拥有更多基因资源并予以认知利用,意味着拥有更大优势。”

一组数据可以窥见国家基因库的科研实力:其在一期联合战略伙伴,启动了一批具有国际影响力的大型科研合作项目,已发表论文150余篇,其中在Nature、Science、cell等重点杂志上发表论文40余篇;已获批国内外专利46个;出版因资源专著8本,并与全球100多家机构、组织建立了战略合作关系,参与起草了多项国际、国内标准,形成遗传资源共享联盟网络,有力推动了全球生物多样性遗传资源保护和战略性开发。

目前,国家基因库已与国际生物和环境样本库协会(ISBER)、全球生物多样性联盟(GGBN)、人类基因变异组计划(HVP)、中国科学院海洋研究所、中国科学院昆明动物研究所、北京重大疾病临床数据和样本资源库、深圳超算中心等100多家国内外科研机构、行业组织建立了战略合作关系,在人类健康、生物多样性、生物进化机制等方面开展了合作研究。

如果说上述1.0版本的国家基因库实力已经足够强大,那么2.0版本的国家基因库则更聚焦于合作、产业化以及安全伦理问题。“下一步我们将联合国内外科研机构、高校院所、医疗机构、创新企业等建立基因联盟,在现有基础上,进一步提高信息管理及共享的数据安全性,构建公平、公正、公开透明的信息共享环境。”国家基因库相关负责人直言,这样做是为了发挥基因库“盟主”地位,汇聚集体智慧,使联盟成员发挥在各自领域的特长和优势,实现资源共享利用。

在加快资源从科研到应用的转化方面,也是国家基因库奋斗的“小目标”。“围绕生物医药、生物农业和海洋生物等生物产业重点领域,国家基因库搭建了基因信息资源挖掘的基础性支撑平台,为百姓健康、生物制药、高效养殖等提供原始基因数据,推动生命经济快速发展。”上述负责人说。

责任编辑:谢景春

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