逾千万生物资源样本在这里“安居”

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。 策划/统筹：吕冰冰 撰文：南方日报记者 苏梓威 陈熊海 实习生 李美蓉 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。 ■链接 “三库两平台” 生物样本资源库：总存储样本量超1000万份，涉及血液、核酸、细胞、组织等临床、科研样本，涵盖人类、动植物、微生物、海洋资源、种子、人肠道菌群等，并已实现2000万份可溯源、全类型样本存储能力。 生物信息数据库：已建成60Pb数据的可访问能力。构建和开放40多个数据库，总访问量达1.18亿；基于“大数据共享”理念开发的国家基因库信息库统一检索系统，已整合超7000个物种/品种、27个人种、7万个样本、百万个基因、千万突变信息和关联1Pb原始数据量，实现总可检索条目数超过1亿。 生物活体库：去年国家基因库的云南活体库在云南省瑞丽植物园揭牌，启动瑞丽植物园数字化工作，已采集部分植物物种新鲜叶片材料，建设国内首个数字化植物园。同时和青海、西藏政府部门合作，建立国家基因库高原库。 两平台：数字化平台、合成与编辑平台。通过搭建基因资源挖掘的基础性支撑平台，以具备对海量生物资源的“存、读、写”能力为基础，构建起检测、管理、认证、基础应用体系。 ■对话 国家基因库负责人： 设独立委员会审查基因采集伦理 南方日报：今年或此后更长的时间内，国家基因库将参与国内外哪些重大科技项目？ 国家基因库负责人：国家基因库已经初步搭建了“三库两平台”的功能模块，以对海量生物资源的存、读、写为基础，聚焦精准健康、精准农业、海洋开发、微生物应用等领域，将会极大地缩短基础科研到科技成果转化应用的周期。 目前及未来国家基因库和华大基因研究院将重点关注生物信息大数据、精准医疗队列研究、精准医学大数据、种质资源等领域，针对大样本、大数据的开发应用设计一系列的科研项目，指导样本的收集和成果转化。即将开展的项目方向包括但不仅限于数字化农业、数字化地球、数字化人生等。同时我们也在研发基因测序技术，降低测序成本，大大推动样本转化的速度。 目前基因库已启动DNA存储、超大基因组合成计划、合成2020计划、瑞丽植物园数字化项目、母婴健康队列等重大建设规划项目，并已正式对外启用国家基因库数字化平台和开放数据中心。 南方日报：一边是国家基因库和成长壮大的基因产业大放异彩，一边是人体健康数据采集还没有形成统一的标准和规定。在基因数据采集可能涉及的用户隐私以及伦理方面，国家基因库是如何考虑的？ 国家基因库负责人：国家基因库在从事与人体健康基因数据采集相关的活动时，将严格按照国家相关管理办法的规定执行。国家基因库设立了独立的伦理委员会，对国家基因库的所有项目，尤其是涉及人的样本和数据采集、保存和使用进行伦理审查和监督，确保符合国家相关规定。 此外，国家基因库已建立一整套安全管理办法，如生物安全、数据安全、保密管理以及对外合作资源与信息安全管理办法等，确保人类基因数据采集、保存和使用按照规定的管理流程执行，使得用户信息及隐私安全得到保证。 国家基因库今年还有一件“大事”要办，那便是建立起行业标准。我们通过对相应标准进行地方化、国家化及国际化，力求成为引领中国创新科技的探索与试验园区，持续保持国家基因库在生命科学领域的引领性。