DNA基因测序仪是怎样炼成的

　　DNA基因测序仪是怎样炼成的？在第一款半自动测序仪ABI 70（平板凝胶电泳）的基础上，将科学家们从早先繁重的手工测序中解救出来的ABI 7 0测序仪和Amersham MegaBACE所采用的是毛细管电泳分离技术，使用毛细管替代平板凝胶取消了手工上样， 测序质量大大提升，为基因组大规模测序提供了可能；但由于技术所限，在测序速度和成本等方面，均已达到极限——直至下一代测序技术(Next Generation Sequencing，NGS)的出现，才将这一僵局打破，而基于NGS技术的高通量测序仪也已逐渐成为测序领域的生力军。其中，最为常见，也最具代表性的高通量基因测序仪的“炼成”，多是基于荧光标记，利用聚合酶或连接酶以及引物对DNA模板进行一系列的延伸，通过高灵敏度相机观察并记录连续测序循环中的光学信号，获得DNA序列的读取。

　　一、获取并承载有效的DNA信号

　　首先，通过随机打断基因组DNA获得的DNA文库片段（长度为数十到数百碱基）所携带的DNA信号需要采用模板扩增技术进行适当放大，才能够被精准地获取。常见的模板扩增技术包括乳滴PCR扩增、固相桥式扩增、固相模板移位 ，以及先进的DNA纳米球技术。

　　其次，需要考虑的是如何实现将这些足够多的DNA信号被同时并行分析。该信号的载体，即测序芯片，是实现这一目标的关键。

　　二、将DNA信号转换为光信号

　　DNA基因测序仪，通过一系列处理，从基因组中所获取的DNA信号，其所携带的原始信息是由ATCG四种不同类型的碱基以某种序列组合的形式表达而成的，不同的碱基排序所传达的生物信息不同。然而，人体内多达 0亿个碱基对，很难被直接分离识别，更别提如何还原其正确的排列顺序。

　　BGISEQ-500采用了四种不同的荧光探针进行特异性标记，通过一系列不同的滤光片和镜头组合对激光所激发出的荧光进行分类透过，并由高性能测序相机（sCMOS）进行采集记录，完成了从DNA信号到光信号的转换与收集。

　　在这一环节中，作为原始DNA信号与最终碱基信息的中间桥梁，光信号有无失真，是能否保证测序准确性的关键性因素之一。对此，BGISEQ-500采用了多项技术进行整合与优化。仅以测序相机为例，BGISEQ-500所采用的基于Scientific CMOS技术（sCMOS）的高灵敏度相机，与常见相机的CMOS技术相比，在分辨率与对比度等方面的表现超乎寻常。

　　三、如何快速精准地读取光信号

　　在获取光信号之后，通常采用的方法是使用相机对荧光信号进行拍摄并读取，经由荧光信号颜色的识别及光信号顺序的读取，对碱基种类进行辨析与重组，最终模拟出原本的碱基序列顺序。

　　为保证同一个位点的荧光信号能够按照顺序进行读取，信号读取的节奏控制需要与拍照的频率相吻合。这一过程通常需要借助电子硬件来改变外界条件的方式调控整个反应环境。BGISEQ-500通过温控系统的调控，合理改变测序空间的微环境，推进荧光信号的获得与更迭，同时协调相机的拍摄频率，严丝合缝并准确地完成整套信号的转换与收集。

　　四、将光信号转换为碱基序列信息

　　完成DNA信号到光信号读取后的下一步，则需要借由算法来对光信号进行数字化，即转化为碱基序列信息。算法，指的是使用系统的方法来描述针对某项问题的解决策略，可以理解为一系列针对问题解决所设计出的指令。在光信号数字化的过程中，一套合理而精准的算法能够避免信号的误读或漏读，同时能在最短的时间内完成信号的读取，因而算法对于DNA基因测序仪测序整个流程的精准度与速度有着非常重要的影响，而算法自身的效率则对算法本身有着空间和时间两方面的要求。BGISEQ-500所采用的是贴合自身性能的专属算法，经过合理验证与优化，能够有效确保信号转换结果的准确性以及信号转换步骤的高效性。

　　另一方面，软件在仪器整体运作流程中同样起着至关重要的作用。例如在控制生化反应的流体系统中，需要软件控制试剂的使用顺序与反应时间、试剂针的升降、试剂抽取时的单位体积，以及在信号记录时相机的曝光时间、拍照的起始点控制等，均需要软件进行控制。此外，样本信息、文库信息、日志信息、数据管理，同样需要软件进行读取、校验、存储与交互。因而设计逻辑缜密的一系列软件，同样是一项重要的技术要点。BGISEQ-500的软件团队为其设计编写的这套专属软件，能够更好的贴合仪器自身性能，全面提升BGISEQ-500的使用体验。

　　五、如何获取碱基序列信息分析报告

　　光信号所转换出的基础碱基序列数据往往并不能直接为客户带来使用价值，而是需要在基础数据上进行比对和深入分析后，才能得出更有针对性的结论。目前的基因测序主要针对的是DNA与RNA这两种大分子核酸。DNA分子的高通量测序应用主要是全基因组测序（Whole Genome Sequencing，WGS），全外显子测序（Whole Exome Sequencing，WES），和染色质免疫共沉淀测序（Chromatin Immunoprecipitation Sequencing，ChIP-seq），而RNA分子的高通量测序应用主要包括RNA定量测序（RNA-seq），转录组测序（Transcriptome Sequencing和小RNA测序（Small RNA Sequencing）等。不同的应用需要设计不同的分析逻辑与对应匹配的数据库，因此针对不同应用的分析软件同样是一台DNA基因测序仪所应该具备的要素之一。