DNA基因測序儀是怎樣煉成的？在第一款半自動測序儀ABI370（平板凝膠電泳）的基礎(chǔ)上，將科學(xué)家們從早先繁重的手工測序中解救出來的ABI 3730測序儀和Amersham MegaBACE所采用的是毛細(xì)管電泳分離技術(shù)，使用毛細(xì)管替代平板凝膠取消了手工上樣， 測序質(zhì)量大大提升，為基因組大規(guī)模測序提供了可能；但由于技術(shù)所限，在測序速度和成本等方面，均已達(dá)到極限——直至下一代測序技術(shù)(Next Generation Sequencing，NGS)的出現(xiàn)，才將這一僵局打破，而基于NGS技術(shù)的高通量測序儀也已逐漸成為測序領(lǐng)域的生力軍。其中，最為常見，也最具代表性的高通量基因測序儀的“煉成”，多是基于熒光標(biāo)記，利用聚合酶或連接酶以及引物對DNA模板進(jìn)行一系列的延伸，通過高靈敏度相機(jī)觀察并記錄連續(xù)測序循環(huán)中的光學(xué)信號，獲得DNA序列的讀取。

　　一、獲取并承載有效的DNA信號

　　首先，通過隨機(jī)打斷基因組DNA獲得的DNA文庫片段（長度為數(shù)十到數(shù)百堿基）所攜帶的DNA信號需要采用模板擴(kuò)增技術(shù)進(jìn)行適當(dāng)放大，才能夠被精準(zhǔn)地獲取。常見的模板擴(kuò)增技術(shù)包括乳滴PCR擴(kuò)增、固相橋式擴(kuò)增、固相模板移位 ，以及先進(jìn)的DNA納米球技術(shù)。

　　其次，需要考慮的是如何實(shí)現(xiàn)將這些足夠多的DNA信號被同時(shí)并行分析。該信號的載體，即測序芯片，是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。

　　二、將DNA信號轉(zhuǎn)換為光信號

　　DNA基因測序儀，通過一系列處理，從基因組中所獲取的DNA信號，其所攜帶的原始信息是由ATCG四種不同類型的堿基以某種序列組合的形式表達(dá)而成的，不同的堿基排序所傳達(dá)的生物信息不同。然而，人體內(nèi)多達(dá)30億個(gè)堿基對，很難被直接分離識別，更別提如何還原其正確的排列順序。

　　BGISEQ-500采用了四種不同的熒光探針進(jìn)行特異性標(biāo)記，通過一系列不同的濾光片和鏡頭組合對激光所激發(fā)出的熒光進(jìn)行分類透過，并由高性能測序相機(jī)（sCMOS）進(jìn)行采集記錄，完成了從DNA信號到光信號的轉(zhuǎn)換與收集。

　　在這一環(huán)節(jié)中，作為原始DNA信號與最終堿基信息的中間橋梁，光信號有無失真，是能否保證測序準(zhǔn)確性的關(guān)鍵性因素之一。對此，BGISEQ-500采用了多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行整合與優(yōu)化。僅以測序相機(jī)為例，BGISEQ-500所采用的基于Scientific CMOS技術(shù)（sCMOS）的高靈敏度相機(jī)，與常見相機(jī)的CMOS技術(shù)相比，在分辨率與對比度等方面的表現(xiàn)超乎尋常。

　　三、如何快速精準(zhǔn)地讀取光信號

　　在獲取光信號之后，通常采用的方法是使用相機(jī)對熒光信號進(jìn)行拍攝并讀取，經(jīng)由熒光信號顏色的識別及光信號順序的讀取，對堿基種類進(jìn)行辨析與重組，最終模擬出原本的堿基序列順序。

　　為保證同一個(gè)位點(diǎn)的熒光信號能夠按照順序進(jìn)行讀取，信號讀取的節(jié)奏控制需要與拍照的頻率相吻合。這一過程通常需要借助電子硬件來改變外界條件的方式調(diào)控整個(gè)反應(yīng)環(huán)境。BGISEQ-500通過溫控系統(tǒng)的調(diào)控，合理改變測序空間的微環(huán)境，推進(jìn)熒光信號的獲得與更迭，同時(shí)協(xié)調(diào)相機(jī)的拍攝頻率，嚴(yán)絲合縫并準(zhǔn)確地完成整套信號的轉(zhuǎn)換與收集。

　　四、將光信號轉(zhuǎn)換為堿基序列信息

　　完成DNA信號到光信號讀取后的下一步，則需要借由算法來對光信號進(jìn)行數(shù)字化，即轉(zhuǎn)化為堿基序列信息。算法，指的是使用系統(tǒng)的方法來描述針對某項(xiàng)問題的解決策略，可以理解為一系列針對問題解決所設(shè)計(jì)出的指令。在光信號數(shù)字化的過程中，一套合理而精準(zhǔn)的算法能夠避免信號的誤讀或漏讀，同時(shí)能在最短的時(shí)間內(nèi)完成信號的讀取，因而算法對于DNA基因測序儀測序整個(gè)流程的精準(zhǔn)度與速度有著非常重要的影響，而算法自身的效率則對算法本身有著空間和時(shí)間兩方面的要求。BGISEQ-500所采用的是貼合自身性能的專屬算法，經(jīng)過合理驗(yàn)證與優(yōu)化，能夠有效確保信號轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性以及信號轉(zhuǎn)換步驟的高效性。

　　另一方面，軟件在儀器整體運(yùn)作流程中同樣起著至關(guān)重要的作用。例如在控制生化反應(yīng)的流體系統(tǒng)中，需要軟件控制試劑的使用順序與反應(yīng)時(shí)間、試劑針的升降、試劑抽取時(shí)的單位體積，以及在信號記錄時(shí)相機(jī)的曝光時(shí)間、拍照的起始點(diǎn)控制等，均需要軟件進(jìn)行控制。此外，樣本信息、文庫信息、日志信息、數(shù)據(jù)管理，同樣需要軟件進(jìn)行讀取、校驗(yàn)、存儲與交互。因而設(shè)計(jì)邏輯縝密的一系列軟件，同樣是一項(xiàng)重要的技術(shù)要點(diǎn)。BGISEQ-500的軟件團(tuán)隊(duì)為其設(shè)計(jì)編寫的這套專屬軟件，能夠更好的貼合儀器自身性能，全面提升BGISEQ-500的使用體驗(yàn)。

　　五、如何獲取堿基序列信息分析報(bào)告

　　光信號所轉(zhuǎn)換出的基礎(chǔ)堿基序列數(shù)據(jù)往往并不能直接為客戶帶來使用價(jià)值，而是需要在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上進(jìn)行比對和深入分析后，才能得出更有針對性的結(jié)論。目前的基因測序主要針對的是DNA與RNA這兩種大分子核酸。DNA分子的高通量測序應(yīng)用主要是全基因組測序（Whole Genome Sequencing，WGS），全外顯子測序（Whole Exome Sequencing，WES），和染色質(zhì)免疫共沉淀測序（Chromatin Immunoprecipitation Sequencing，ChIP-seq），而RNA分子的高通量測序應(yīng)用主要包括RNA定量測序（RNA-seq），轉(zhuǎn)錄組測序（Transcriptome Sequencing和小RNA測序（Small RNA Sequencing）等。不同的應(yīng)用需要設(shè)計(jì)不同的分析邏輯與對應(yīng)匹配的數(shù)據(jù)庫，因此針對不同應(yīng)用的分析軟件同樣是一臺DNA基因測序儀所應(yīng)該具備的要素之一。