深圳华大生命科学研究院：引领世界基因组学研究

文/刘启强

[导读]

深圳华大生命科学研究院（原深圳华大基因研究院，以下简称“研究院”）是深圳市批准建设的首批十大基础研究机构之一。多年来，研究院深耕基因组学领域，并在短时间内发展成为世界领先的基因组学研究中心。当 前，研究院更是致力于开展前沿生命“读”“写”“存”核心技术的研究与开发，组织并实施生命大数据与疾病防控国际大科学工程。在今年年初暴发的新冠疫情中，研究院凭借其强大且经验丰富的专业科研队伍，以及自主技术平台的快速反应能力，成为抗击新冠肺炎战疫行动中的科技尖兵。

《广东科技》：虽然华大基因在业内已是家喻户晓，但为了让更多读者认识和了解你们，所以还是请你们先介绍一下研究院的简况。

研究院：深圳华大生命科学研究院是致力于生命科学、生物技术和医疗应用领域的多组学研发的非营利机构。多年来，我们一直深耕基因组学领域，并在短时间内发展成为世界领先的基因组学研究中心。作为深圳市首批批准建设的十大基础研究机构之一，研究院以研究生命科学、推进生物技术与全民健康事业的发展为宗旨，紧紧围绕基因组学核心技术和前沿科学问题开展相关研究。

当前，我们主要致力于开展前沿生命“读”“写”“存”核心技术研究与开发，聚焦健康中国关键需求，解决出生缺陷、恶性肿瘤、病原感染及其他复杂疾病分子机理和防诊治应用研究等精准医学重大问题，探索生命起源与演化等前沿领域。以百万级大样本科学计划为目标，建设大数据科学平台，建立全球合作联盟，实现生命科学领域突破，建设面向科学前沿、国民经济主战场和国家重大需求的产学研结合创新体系。

近年来，为打造更先进的科研平台，加快科研产出，研究院持续集中力量提升生命科学的核心竞争力，大力发展生物技术与研制新型装备，在核心算法工具、智能化数据管理和分析、生物大数据分析等方面不断突破创新。我们通过建设先进科研平台以及开展各类横向课题，积极推进国际科技合作和交流，启动和参与前沿大科学项目和大科学工程，与国内外知名大学和研究机构开展人才培养与项目合作，进一步提升了研究院科研平台的水平、研究开发能力，建立了国际合作网络以及高端人才团队，不断增强我国在生命科学研究领域的国际影响力，打造出了以多组学大数据为基础、国际一流的产学研一体化新型生命科学研究院。未来，研究院将继续推动生命科学在基础研究、先进技术和成果转化方面的发展，有效地保护、开发和利用生物资源，确立深圳市在生命科学研究领域的领先地位，为深圳市促进粤港澳大湾区国际科技创新中心建设、推动中国特色社会主义新型示范区创新发展贡献科技力量。

《广东科技》：在创新人才的引进和使用上，研究院采取了哪些方式方法？

研究院：在人员引进和聘用上，研究院始终以高标准和高要求为基石，以跨学科和国际化为原则，多渠道引进和选拔优秀人才，持续打造有利于科研创新的工作环境，不断提升人才队伍整体水平。研究院根据生命科学特有的发展规律，综合必需要素，形成了将“科学发现、技术发明、产业发展”有机结合，以任务带学科、带产业、带人才的“三发三带”联动模式，在项目中为员工提供发展平台和发展空间，在实践中不断提高员工能力，丰富员工的经验，锻炼员工科研与管理能力。研究院同时坚持自主培养和外部引进并举，重点打造具有较强创新活力的青年创新型人才队伍，并与国内外高校合作开展人才培养，通过这种方式，不仅造就了一批具有国际水平的战略科技人才，还形成了具有原始创新活力的人才梯队。

《广东科技》：有这样高水平的科研团队支撑，研究院的科研成果一定非常丰富。

研究院：截至今年8月的数据统计，研究院累计发表论文2800多篇，其中2393篇被SCI收录，323篇在国际四大顶尖学术期刊《自然》《科学》《细胞》《新英格兰医学》上发表；有3项科研成果获国家科学技术奖，7项成果获省部级科学奖，10项成果获市级科学奖；“小麦基因组图谱”“酵母长染色体的精准定制合成”等多项成果入选“世界十大科技进展”和“年度中国科学十大进展”。

小麦作为全球最重要的粮食作物之一，养活了世界上40%的人口。我国是世界上小麦生产与消费大国，常年种植面积为2400万公顷左右，年产量近1.3亿吨。因而，小麦的研究始终是国内外科学家的心头大事。但经过数千年种间杂交形成的小麦基因组，其大小是人类基因组的5倍，包含三套非常相似的染色体，总共21对且拥有大多数基因的6个拷贝。由于缺乏基因组图谱，小麦育种者很难跟踪基因的代序传递情况，试图改变特定DNA序列的基因工程师也不知道如何入手。国际小麦基因组测序联盟从2005年发起成立至今，通过分别对每个染色体进行分解和测序，最终绘制出了这份完善的小麦基因组图谱。此小麦基因组的发布将对小麦的基础与分子育种研究等工作起到重要的支撑与帮助作用，将加快提高小麦收成的步伐，也为培育出非致敏品种带来新希望。

基因组设计合成能够按需重塑生命，突破了生命发生与进化的自然法则。2011年，美国、中国、英国、新加坡、澳大利亚等国启动“酵母基因组合成国际计划”，深圳华大生命科学研究院作为中国的三个主要参与单位之一，深度参与了该国际协作项目。2017年合作联盟在Science以封面及专刊形式发表了酵母5条染色体从头合成的研究成果，证实酵母染色体基因组可从头化学全合成，并促进了多项染色体水平构建、纠错等技术的快速发展。该项目的实施，推动了整个领域的技术发展，也提升了大众对酵母和基因组的认知，让人们更加透彻地了解机体的生物学机制、生物学反应、对各种环境的适应性以及进化过程等，对解决人类生存面临的能源短缺、环境污染等问题也有重要意义。从科学理论上来看,人工设计与合成酵母基因组及后续开展的基因组快速演化研究，不仅可实现对酵母全基因组功能研究,而且通过基因组随机变化产生的酵母菌库,为研究酵母演化史提供了大量的素材。此外，酵母作为一种微生物与人类生活息息相关，人造酵母在生产药物、生物能源、食物、生物材料等领域都可以得到广泛应用，比如通过在酵母中加入合成青蒿素合成的相关基因，可以实现青蒿素的大量生产。

深圳华大生命科学研究院科研人员工作场景

除以上这些成就外，研究院还主动承担了国家和地方重大科研任务，积极参与各级政府科技计划项目，积极完善基础设施配套条件，形成了覆盖生物信息学、人类基因组学、农业基因组学、微生物及海洋生物学等学科领域的全方位科研体系，搭建了从国家到地方的各级各类创新载体25个。

在2019年科睿唯安公布的年度高被引科学家名单中，研究院共有8位科学家入选；同年，Nature Index公布的2015－2018年度遗传学领域高质量科研论文自然指数榜单中，研究院位列亚太地区生命科学科研机构第一，并在全球生命科学产业机构中排名第15位。

《广东科技》：今年疫情以来，研究院在研发创新方面又取得了哪些新的进展和突破？

研究院：主要有三个方面：一是在抗击新冠疫情的战疫行动上。今年年初，突如其来的新冠肺炎疫情给全国人民的生产生活带来严重影响，研究院凭借经验丰富的专业科研队伍和自主技术平台快速反应，也在这场抗击新冠肺炎的战疫行动中作出了应有的贡献，取得了显著社会效益，为国家公共卫生突发事件应急治理贡献出了自己的一份力量。

如2月份，我们基于ATOPlex多重PCR平台率先研发与应用了专门针对新冠病毒的扩增子测序方法，并首次系统地对基于超高深度宏基因组测序、多重PCR扩增子测序和探针捕获测序三种手段开展的新冠病毒基因组变异研究效能进行了比对分析，率先建立了更有效的新冠病毒基因组高通量测序方法，以适合大规模病毒的全基因组变异监测。

我们的研究结果显示，三种方法均能有效地从采集的咽拭子、鼻拭子、肛拭子等样品中获取病毒基因组序列信息，用于病毒变异监测研究。在综合考量灵敏度、准确性、时间与经济成本等因素基础上，我们的研究团队提出了结合研究目的和临床样品病毒载量情况的测序策略实用指引。

基于上述研究成果，研究院启动了“国际百万新冠基因组计划”，发起并号召全球科研团体加入“新型冠状病毒开源基因组的全球倡议（Global Initiative on Open-source Genomics for SARSCoV-2，GIOG-S）”。该倡议鼓励全球科学家超越国界，联合一切研究新冠病毒的力量，携手寻找有效的预防与控制手段。以研究院、华大智造、深圳国家基因库等为主的发起机构，将以先进组学技术平台、前沿研究能力以及生命大数据平台为支撑，促进世界各地研究团队高效获得高质量的新冠病毒基因组信息，推动数据及时开放共享，为全球组织公共卫生应急响应提供重要参考，助力全球新冠疫情防控。

二是在自主知识产权的核心生物技术与新型装备研制方面。研究院以持续保持基因组学领域国际竞争力与影响力为目标，在深入分析当前中国与欧美国家在基因组“读”与“写”核心工具、配套系统以及应用等方向存在差距的基础上，集中优势力量进行系统而富有前瞻性的科技布局，在基因组“读写”核心工具开发与转化上形成突破性创新成果。比如，我们完成了国产化高通量合成仪原理机搭建，申请了多项核心专利，其合成短引物产物纯度达到国际领先水平，错误率较低，可与在售的高通量竞品比肩，从而打破了国外在DNA合成仪产业上的垄断。

细胞是生物结构和功能的基本作用单元，从细胞水平获取基因组学信息并实现编辑和改造，是目前世界顶尖的竞争和研究领域。研究院在细胞组学领域进行前沿布局和研发，包括细胞的“读”和“写”关键技术，致力提升国际竞争力、解决重要科研和产业问题。研究院在单细胞组学技术方面建成了具有完全自主知识产权的高通量低成本平台，不仅打破了国际巨头的科技垄断，还在成本和综合水平上实现超越，达到国际领先水平，形成数千万元的经济转化价值。同时，我们在科研应用领域，还在Science、Genome Biology等国际顶尖杂志发表了一系列高水平论文，得到国际广泛认可。

深圳华大生命科学研究院建库实验室内景

实验室人员工作现场

三是在自主知识产权的大数据生物信息分析工具和方法研发方面。截至目前，我国大部分科研机构使用的数据分析软件，仍然是以美英等科研机构开发的软件、工具、算法为主，缺乏具有自主知识产权的生物大数据分析平台系统。当前，基因组“读写”技术快速提升，产生了丰富的生物大数据，对于数据分析和挖掘的快速、高通量、低成本需求日益显著。为避免将来我国在开展大规模国家基因组数据分析研究时被“卡脖子”，研究院以生物大数据前沿算法、智能化数据管理和分析系统以及生物大数据采集和科研应用三个领域作为主攻方向，积极开展国内合作、产学研合作，结合我国科研的国情，面向未来百万规模大人群大数据分析的新需求，开发了包括群体变异检测、变异数据存访、数据质控、变异频谱统计，以及核心关联分析和表型预测等在内的，具备自主知识产权的系列数据分析工具。2019年，我们的研发团队首先实现了百万级别的群体联合变异检测工具开发。与国际上传统的行业标杆工具GATK相比，我们开发的工具性能效率提高近3倍，且可实现10万样本量级别下常规软件无法完成的计算，实现了行业领先。研究院研发团队开发的全球领先的基于GPU加速的算法，让我国科学家能够以史无前例的速度完成基因大数据处理，提升分析速度，降低测序成本。

《广东科技》：作为新型研发机构中的翘楚，你们自己如何看待这一特殊的研发组织形式，今后，新型研发机构的发展还需要在哪些方面进行完善？

研究院：区别于传统研发机构，新型研发机构合理糅合了原始创新、技术研发、成果转化、人才培养和企业孵化等多个功能，建立了一套从上游创新源头到下游产业化的全产业链对接体系，是我国科技发展过程中一种全新的创新型研发组织形式。广东省新型研发机构作为广东深化科技体制改革的突破口，在推动科技成果转化、科技企业孵化育成等方面取得了一系列显著成效。

2015年，根据《广东省人民政府关于加快科技创新的若干政策意见》( 粤府（2015）1号 )文件精神，为加快推进广东省新型研发机构的建设与培育工作,经省政府同意,第一批124家广东省新型研发机构名单出炉。此后，广东省新型研发机构数量不断增加、基础条件不断改善，已成为广东现代经济体系建设的重要战略力量。

在取得显著成绩的同时，我们也看到，新型研发机构的发展也存在一些问题，如定位不明晰导致相对应的评价标准和评价方法含糊不清，由此造成无法准确地指导和评价相关的产出和绩效等等。我们认为，新型研发机构未来的发展应该明确机构定位，以及进行分类管理评价和分类扶持，以此促进新型研发机构数量和质量的同步发展。

《广东科技》：在推动新型研发机构发展上，科技主管部门应在哪些方面加强？谈谈你们的意见和建议。

研究院：科技主管部门可以深入调研新型科研机构的需求，颁布相应扶持政策，针对不同类别新型研发机构进行差异化管理。目前，新型研发机构发展中遇到诸如资金、人才、场地等各个方面的痛点，急需在财政税收、场地及融资、人事政策等全方位出台配套政策，解决新型研发机构发展瓶颈和困难，帮助新型研发机构健康高质量发展。