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DNBSEQ? 測序技術

華大智造基因測序儀采用先進的DNBSEQ?核心技術，通過儀器氣液系統(tǒng)先將DNA納米球（DNA nanoball, DNB）泵入到規(guī)則陣列載片（Patterned Array）并加以固定，然后再將測序模板及測序試劑泵入。泵入后的測序模板與載片上的DNB的接頭互補雜交，在DNA聚合酶的催化下，測序模板與測序試劑中的帶熒光標記的探針相結合。接下來，通過激發(fā)熒光基團發(fā)光，不同熒光基團所發(fā)射的光信號被儀器相機采集，經(jīng)過處理后可轉換成數(shù)字信號，傳輸?shù)接嬎銠C進行再次處理，最終獲取待測樣本的堿基序列信息。

所有跟DNB相關的測序技術都屬于DNBSEQ?。DNBSEQ?測序技術主要包括：DNA單鏈環(huán)化和DNB制備（Make DNB），規(guī)則陣列（Patterned Array），DNB 加載（Load DNB）， cPAS （combinatorial Probe Anchor Synthesis，聯(lián)合探針錨定聚合測序法），雙端測序技術（Pair-end），以及配套的流體和光學檢測技術、堿基識別（Basecall）算法等。

與其他測序技術相比， DNBSEQ?測序技術具有滾環(huán)復制擴增帶來的錯誤累積低和規(guī)則陣列載片帶來的信號密度高等原理性優(yōu)勢，大幅提高了測序準確性；而且，基于DNBSEQ?測序平臺的產(chǎn)出數(shù)據(jù)重復序列率低（Dup率低）、有效數(shù)據(jù)利用率高、標簽跳躍少（Index Hopping少），能有效降低“張冠李戴”的情況。此外，結合PCR free等建庫方法，DNBSEQ?測序平臺擁有更好的SNP和InDel準確性。

DNB制備技術
規(guī)則陣列載片和DNB加載
cPAS技術
二鏈測序
堿基識別算法

DNB制備技術

DNB制備技術包括DNA單鏈環(huán)化及DNB 制備。

DNA單鏈環(huán)化

是將帶有接頭序列的雙鏈DNA（Double- stranded DNA, dsDNA），通過高溫變性形成單鏈DNA（Single-stranded DNA, ssDNA），環(huán)化引物與SSDNA的兩端互補配對，在連接酶的催化下，SSDNA的首尾相連接，形成單鏈環(huán)狀DNA（Single-strand circular DNA, sscirDNA）。

DNB制備

以單鏈環(huán)狀DNA為模板，在DNA聚合酶作用下進行滾環(huán)擴增（Rolling Circle Amplification, RCA），將單鏈環(huán)狀DNA擴增到100-1000拷貝，擴增產(chǎn)物稱為DNB。DNB通過簡單的質量濃度質控后，就可以用于下一步的上機測序，操作簡單，且不需要昂貴的定量設備和耗材。

基于RCA的線性擴增技術，每次擴增都是以原始的DNA單鏈環(huán)為模板，使用保真性極高的聚合酶，使得在DNB的所有拷貝的同一個位置上出同樣的錯的幾率幾乎是零。RCA擴增技術有效的避免了PCR擴增錯誤指數(shù)積累的問題，從而大大提高測序的準確性。

規(guī)則陣列載片和DNB加載

規(guī)則陣列載片

采用先進的半導體精密加工工藝，在載片表面形成結合位點陣列，實現(xiàn)DNB的規(guī)則排列吸附。所有活性位點間距保持整齊一致，每個位點只固定一個DNB，可保證不同納米球的光信號不會互相干擾，這不僅保證了測序準確度，而且提高了測序載片的利用效率，提供了極好的成像效率和最優(yōu)的試劑用量。

DNB加載

DNB在酸性條件下帶負電，在表面活化劑的輔助下，通過正負電荷的相互作用，被加載到載片中有正電荷修飾的活化位點的過程，稱為DNB加載。DNB與載片上活化位點的直徑大小相當，盡可能避免了多個DNB 結合到同一個位點的情況，從而大大提高了DNB的有效利用率。

cPAS技術

在DNA聚合酶的催化下，將測序引物錨定分子和熒光探針在DNB上進行聚合，洗脫掉未結合的探針后，在激光的作用下熒光信號被激發(fā)，隨后利用高分辨率成像系統(tǒng)對光信號進行采集、讀取和識別，從而獲得當前待測堿基的序列信息，然后加入再生洗脫試劑，去除熒光基團，進入下一個循環(huán)的檢測。

華大智造優(yōu)化了大量的反應條件，從上萬個酶突變體中篩選得到最優(yōu)秀的測序酶，使生化反應時間可以縮短到1分鐘以內。

二鏈測序

在完成一鏈測序后，加入具有鏈置換功能的DNA聚合酶進行DNA二鏈合成反應，在持續(xù)的延伸過程中，當遇到雙鏈結構的時候，在DNA聚合酶的解旋作用下，完成邊解旋邊復制的反應，形成大量的單鏈DNA作為二鏈測序的模板（圖5-中），然后雜交二鏈測序引物，開始二鏈的cPAS測序。

利用DNA聚合酶的鏈置換特性，實現(xiàn)了DNB的雙端測序，而且重新合成的二鏈拷貝數(shù)更多，能夠獲得更強的熒光信號，有效的提高了測序的準確性。

堿基識別算法

旨在根據(jù)各個通道的光信號強度完成堿基識別并計算每個堿基的質量得分。通過對已有數(shù)據(jù)模型的訓練，建立信號的特征和測序錯誤的對應關系，在進行堿基識別的時候，根據(jù)每個堿基的信號特征輸出預估的錯誤率。質量得分根據(jù)phred-33質量得分標準。

華大智造自主開發(fā)的Sub-pixel Registration算法，使圖像配準精確度達到了亞像素級別，大大提高了堿基識別的準確度。

此外，通過GPU加速的方法，在更高精度的算法條件下實現(xiàn)了200倍以上的加速，在提高識別準確率的同時實現(xiàn)了圖像處理和堿基識別的實時化，數(shù)據(jù)處理速度處于同行業(yè)領先水平。