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首页 > 同行 > 2022年03月刊 > 同行 > 汪建:518的时空演进

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汪建:518的时空演进作者:

今天和大家回顾一下518的时空演进,希望将518的故事圆起来。首先,每个人都要记住什么是518(5个超级工程、1个全球创新中心、8个产业发展方向)。其中,5个超级工程是指先利其器、生老病死、万物生长、生命起源和意识起源,这也是5个最根本的问题。要以超级工程的模式挑战人类的终极问题。我们所面临的终极问题从哪来?518的“缘起”和“演进”又是怎么来的?



518 的源起

物理大科学工程与基因组计划的启发
首先讲讲人类基因组计划的起源和物理大科学工程的比较与启发。
最开始我们参与人类基因组计划是没有得到全面支持的,一方面受当时中美关系的影响,人类基因组计划是美国发起的大科学工程计划。另一方面,生命科学之前从未有大科学工程,所以这个项目在国内没有得到全面支持。
这其实是一个生命科学发展范式的争论和探讨,从个人天才到集体的智慧,从经典走向大科学,在当时是一个正向的转折点。我在三星的博物馆拍过这样一张图——从个人的驱动转变为公司、集体的引领。在韩国,三星贡献了将近 20% 的 GDP,它可以在芯片、手机、半导体等很多方面和美国人竞争,这是值得我们去思考的。我花了整整两天的时间在三星,看它的医院、眼科机构和博物馆,认真思考这个事情。

如今 20 多年过去了,关于生命科学范式的争议依然存在。这是人类基因组计划给我们带来的启发。


水稻基因组与国家基因库,从奥拓到奥迪,玻璃墙的设想图
第二个启发是水稻基因组和国家基因库。水稻基因组给我们的启发是我们终于独立地完成了一个完整的系统,那是华大当时的“最高峰”。从取样到设计到分析再到文章写作,完全是我们自己做的。
后来我们有了 BGISEQ-500,这是由徐讯主导做出来的,我把它比作奥拓。我相信有了奥拓就会有奥迪,水稻做成了就会继续延伸。所以2016 年底时,我们在基因库 5 楼约 20 米长的墙上,写下了一个关于华大未来设想的完整的图。当时花了一两个月时间完成的,最近我们准备把它清了,大家可以去跟它告别一下,也看看我们 6 年前的设想,哪些内容现在过时了,哪些是错误的?或者说,主流是对的,只是与时俱进加了一些新的东西。任何一个想法写出来后,钉在墙上,是否经得起时间检验是一件非常重要的事。
在这个设想中,基因组、比较基因组能不能在“生”“活”“染”这样因果关系比较清楚的研究上打穿起来?应用、育种也都给打穿起来?这是当时最主要的想法。
中子星合并事件的触动与冲动、518 雏形
2017 年 8 月 17 日,人类观测到双中子星合并事件,全世界所有的天文学家、天文馆都参与了这个项目的研究,回答了宇宙的起源、能量与物质,时间与空间的关系等问题,特别讲了定位、定时、定量、定性、定向、定标,这给了我很大的冲击。
如何更系统化地推进科学研究?如果宇宙起源能够系统化地研究,那生命的起源、意识起源、生老病死、万物生长能不能都进行系统的研究?这是当时思考的最主要的问题。我让谢青、张国捷他们一起,花了很长的时间,把宇宙的起源做了一个简单总结,包括意识、元素、分子、能量、物质分别从哪来?时空的概念是什么?
从可复制的分子到病毒、细菌,一直到人类,这是生命的起源。生老病死,是一个生命的时空过程。那么,这每一个变化的时空密钥是什么?是谁启动的这个过程?任何生命的过程都能被度量,都能被标化。这就是关于生命起源的一个想法。
另一个是物质不灭、能量守恒和万物生长的关系。比如,宇宙能是什么?地球能是什么?我们的转化能力是什么?化学能是什么?关于线粒体,什么叫 C3 ?什么叫 C4 ?什么叫 CAM ?能量的转化过程是什么样的?

再讲讲意识的起源,从多细胞动物海绵的最早的神经细胞,到形成脑的这个过程是什么?眼睛、听力形成的过程分别是什么?像蚂蚁,既没有耳朵,也没有眼睛,它靠什么来分辨?它的味觉系统是什么?它的感觉从哪来?感官系统是什么?这就牵涉到意识的起源和脑科学,量子度量衡等一系列内容。


这张图完整地提取了 518——生老病死、万物生长、生命起源、意识起源,以及用来研究它的工具。先进的工具永远是科学研究的基础,有了新工具,就会带来新发现、新概念、新理论。至此,518 初版的文稿就出来了。

当时梅叔和徐讯等花了很长时间组织了一个文件报给市里,最初是五大超级工程规划,后来提出不仅要建全球创新中心,还需要一些立竿见影的产业目标,所以 518 里就加了一个“8”,这就是 518 的根本。
虽然这个项目后来因为一些原因被搁置了,但不管怎么样,我们还是要把成本降下来,把数据量提上去。我们从人类基因组 1% 项目、炎黄计划、千人基因组、14 万中国人基因组,做到出生缺陷、肿瘤、传感染等,是不是将标准图谱和生活染贯穿起来了?为什么这么做呢?因为基因组能解决这些问题。

后来我们又做了这么多的“剪刀差”(例如,随着无创产前基因检测覆盖率的提升,唐氏综合征患儿的出生率在逐年下降)。当然,它不是在每一个地方都适用,所以我提出了两个模式:深圳模式和中东模式。深圳模式后来延伸到河北模式,希望尽快落实成黑龙江模式。中东模式,除了阿联酋模式,现在以色列模式、沙特模式正在快速形成,巴黎、卡塔尔、科威特都有可能形成模式。

但是目前还存在一个问题:疾病的筛、诊、治尚未形成闭环,同时也严重地依赖于别人。比如地贫和肿瘤的治疗应该是一个闭环,但这个闭环能不能形成?能不能延伸到全球去?

草、兔、熊猫延伸出的新模式,一个是科学规律的总结,一个是仪器和诊疗产品的研发。关于科学规律的总结,临床测序的深度不够,就很难得出一个大科学总结,深度不够做不了,仪器不配套做不了,干预、诊断、治疗的产品不配套做不了,要配套有很多的政策法规,而更重要的是还要有一个基地,要有一个实实在在的载体来做这个事情。这就是草、兔、熊猫的根本问题。


518 演进 :先利其器

这几年来又发生了重大的变化。2019 年,时空的捕获率是 4%,当时我一听就觉得这个方法肯定走得通,但被 Mathias Uhlen 狠狠地刺激了一下,他说 :“Too goodto be true”,我说,你不要这么讲,你来看看。结果他来了以后就说,“Once for all, Once forever”,他一定要参加。但我也跟他强调,华大作为技术的发明方和支撑平台,“We will have the first word and the last word.”牛津也是一样,很快就落实下来了,这时候就有了曙光的出现。
2020 年,我们有了“火眼”实验室,时空组又破茧成蝶。
“火眼”从 100 人份 / 天到 100 万人份 / 天,最主要的是形成了一个工程化的系统,当然还有很多可以改进的地方,但不管怎么样,它如今是可在全球复制推广、平战结合的疾病检测与防控通用型平台。
时空组也取得了重大的突破,捕获率从 4% 提高到60%。单细胞也有重大的突破,有了单细胞微流控系统,它远远好于美国人的那套系统。
2021 年是一个重大的突破节点,基因组、时空组和中心法则又耦合了,脑科学是“天上降”,生命起源是“水下来”,天地生、海底深渊的科学思路大贯穿、大突破。
在那个时候我就觉得 518 应该升级了。所以,从518 延伸到 5D、6D,把生命起源和脑科学起源全部建立起来了。518 走到今天,基本上把 5 大超级工程贯穿了,把 8 个产业发展方向也贯穿了。现在还有两个问题:第一,创新中心在哪里?第二,我们大规模地往临床和生产上铺的时候,成本是多少?算得出来吗?记账问题怎么解决?
从核酸到时空的 150 年
简单回顾一下从核酸发现、DNA 双螺旋结构解析到中心法则确立,从测序技术到人类基因组计划、国别基因组计划(比较基因组)到多组学贯穿,再到原位时空组学的 150 年的演进。
1869 年,一位瑞士的传教士在德国一个教堂的厨房里发现了核质,也就是核酸。1953 年,沃森、克里克发现 DNA 双螺旋结构。后来,中心法则被提出。再之后,有了测序技术。大家提到 Sanger 的时候都要把吴瑞老先生的照片加上去,他 1970 年就发了文章,比 Sanger 早了好几年,可惜吴瑞没有获得诺贝尔奖。2000 年,人类基因组工作框架图完成,2008 年,炎黄一号研究成果发表。再到后来的国别基因组、时空组学。我们对每一个历史的过程都应该去看看,去体验一下,感受一下,记忆一下,崇拜一下,联想一下,不要不当回事。
时空探索
我们在基因组这个领域已经达到 GTP 的数据量了,全球人的全基因组不会有问题,那下一步就是时空一体机的问题,能不能把它做到更简单,更小,所有人拿到就能用?这个至少在未来的几十年里,科研人员是人人都需要的。人类基因组是一个 DNA 序列,这个是延伸到中心法则,从基因组到表达谱到蛋白质都可以,会给临床病理学带来一场革命。一体机这一套设备,包括显微镜系统,是前所未有的,所以如何把它快速地形成一个全球化的模式,是需要思考的。
时空方面的应用包括 3D 的器官时空图谱、4D 的发育时空图谱,疾病的时空图谱、物种演化的时空图谱。华大要从基因组升级为时空组,我们现在区域和生、活、染的团队里,有谁能说清楚这个?是否自己去实验室好好看过?这些东西哪些能够应用到我们生、活、染中?
写 MGT 工程
合成方面,合成通量如何快速提上去,成本如何快速降下来?我建议,请大家去看看咱们最新的合成仪,让那个大阵仗震撼一下大家。华大测序仪是从兵马俑到钢铁侠,咱们的合成仪也已经从兵马俑开始往钢铁侠靠拢了。

同样的道理,我们从 M 到 G 到 T 的时候,都是直观的。但是要实现 P 的时候,就要到自发光、不发光,就不直观了,要有原理性的革命和跨越。这里也一样的。

华大BIT定律——每四年测序成本去个 0,测序量加个 0

回到这个剪刀差,这跟摩尔定律不一样,因为摩尔定律是探索着前进的,我们现在只要往半导体里跨一步,我们的通量就是十倍、百倍、千倍的增长。但是跨一步就跟我们原来直观看得见的那种拓展模式不一样了,所以大家就有点害怕。一是朋友圈不熟,二是知识结构不熟,三是工程技术不熟,四是觉得手中银子不够,因为那些投资常常是百亿元千亿元的。但可以在朋友圈,借船出海、借鸡下蛋地和他们干起来,干成了,最后利益共享。
现在的华大是 BT 远远领先于 IT。第一,这种大数据如何处理?第二,BIT如何结合起来?新的算法、算力、存储,到底是在硅基方向继续走,还是光计算、量子计算,还是用生物学的模式去做新的硅基?第三,就是全华大自己的信息化、智能化的系统,要快速建起来。各个部门要形成合力,硬件、软件能统一的都统一,要加快速度做这个事情。


518 演进:生老病死

国别基因组这一块,要多组学地延伸,实现造福人类的闭环。
我们现在的医检所要快速地在有规模的省都建上。下一步,从“火眼”实验室,延伸到“生”“活”“染”贯穿的实验室,是不是就可以贯穿成为完整的医检所呢?咱们的医检所要跟其它医检所不一样的话,是不是再要延伸成为一个我们的医院?看看爱尔眼科和何氏眼科的案例。我们要不要以一个新的模式,来做一个完全信息化、智能化的医院?这样我们的“搂草、打兔子、养熊猫”就有了一个载体。

我们要建几家华大旗舰医院,然后再做一些连锁医院。华大旗舰医院主要关注因果关系清楚的疾病,要以预防为主,诊断治疗为辅,因果关系不清楚的要加上科研。这个旗舰医院定位为高精尖的智慧医院,是智能化、自动化的,不只依靠人的,同时要有牌照,来填补公共卫生、慢性疾病防控方面的空白。


518 演进:万物生长、物种起源

超级物种与双碳计划
其实讲超级物种,说白了就是根的问题。多年生稻,上面切掉了,它会接着生长,它有一个无性繁殖的根。旱稻(陆稻)其实就是根比水稻长。而多年生稻分蘖得更多,还有沙漠里的,可以分蘖出更多,长得更深。多年生稻是地下茎,地上分蘖。所以我们要做一个完整的研究,把这个机制尽可能找出来,目前是否找到那几个相关基因了?这个能不能做成一个智能化的分析系统?
还有一个问题,多年生的话,收割怎么解决?现在是人工收割,如果用机械收割,会毁坏多年生稻的根系,第二茬就没了。过去没有多年生,所以没有专门针对这个的机械。那之后呢?是用无人机实施“斩首”计划,还是用一个站着的机器人来收割?另外,还要有专门的高效除草剂。地在冬天也别闲着,要让根瘤菌长起来,把茄子树等种上去,这套系统出来了,就是很好的双碳计划。
远缘杂交与远缘嫁接
关于远缘杂交和远缘嫁接,远缘杂交的机制要快点做,尽快拿到数据,形成一个标准的模板。然后,远缘嫁接能不能找出一些规律来?我们的野生茄子已经长得非常好了。实际上,它到底是用基因组指导的嫁接,还是原来分蘖学上指导的嫁接,这是完全不一样的。这个接头,一定要做一个工业化的接头,接头下面用当地的物种,接头上面用全世界最好且适合当地的物种,中间是我们万能的接头。
从地表走向深海 - 深渊
冷泉、热泉的形成上面都是一个巨大无比的海洋牧场。后续有个科考航次,主要就是去看这个,200 多万平方公里的海洋,难道不能给中国提供充分且优质的蛋白质吗,非得要到地里去吗?从一个系统的科学角度去考虑,这是完全有可能的。

去年,我们与奋斗者号的其他参航科学家团队共同发起了《马里亚纳共识》倡议,建立深海科考标准化平台体系,实现深海科考样本和数据的长期保存与共享,支撑海洋国际大科学合作。现在,我们提出要完成一系列论文,争取形成一个专辑。生命起源、生物多样性、生态环境的相关性等方面的研究都有重大意义。


518 演进:意识起源

前面讲生命起源,实际上讲的是 5D。任何一个物种,从生到死的研究都属于 4D,但是加上物种之间和生态环境之间的相互作用就是 5D。生命起源与环境适应,这些需要弄清楚。
脑科学是 6D 的。在我们参与以后的仅仅 6 个月,就将原计划 2050 年完成的国家脑科学计划里程碑目标,提前到预计 2035 年完成。这就是技术的力量、工具的力量、工程化的力量。
脑袋里面想的东西,声、光、电、磁、化学,这些过去没有相关的检测仪器。我们既然要做脑科学,那脑科学的起源是什么?从无“脑”到原始脑、本能脑、情感脑、理性脑、智慧脑的演进,这是一个复杂的过程。所以,我们在研究脑科学的 6D 的时候,也把脑科学的起源全部研究一遍。
五官的感应系统,是我们临床马上就要用的。这套系统能不能做成一体化的脑部健康系统?从头发开始往下,到脑电、眼睛、鼻子、耳朵,到口腔,到肺、心电,能不能用一个仪器全测了,或者在一个小屋子里全部测完?

未来,“生”和“脑”是最重要的,因为糖尿病、心脏病、肿瘤这些是可以早期检测和预防的,而“生”和“脑”里面未知的东西太多了。所以,时空组要和5D、6D,以及迭代更新的 518 系统结合,建立 20 个全球联合实验室,快马加鞭推进临床病理开发和应用,交出华大继基因组之后的第二个亮丽答卷。

华大 i99 与元宇宙

健康长寿这方面,要学习徐讯好榜样,叫新三高,体质、颜值、智商都高。如果坚持做下去,我们每个人都将是 i99 的案例,那就是典型的从生、活、染延伸到i99,延伸到诊断、干预、治疗全都有,所以一定要严肃地执行员工健康计划。
i99大健康,实际上分两步,一个是要做好精准预防,第二个是要主动健康。
元宇宙

什么叫元宇宙?举个例子,眼睛是怎么产生的?从有色素的聚集,到眼睛的杯状的结构,到形成一个球状的结构,最后形成一个完整的眼睛。这是一个采光的系统,如果可以用摄像机、电子眼,把它脑机接口,就可以解决视力问题,这是 Facebook 的一个专利。

生命之源是一个“微宇宙”,从我做起是一个“我宇宙”,多样生境是一个“深宇宙”、天下无忧是一个“乐宇宙”,这些能不能整合在一起,形成一个元宇宙?这是一个蛮有意思的过程。

以上就是新版的 518,或者说是迭代的 518。


新版 518

我们的 518 是独一无二的,整个生态系统、产学研、基础研究都在里面,大家要有信心做好自己。成就幸福长寿的华大、科技史上的丰碑、技术创新的大拿、民生造福的标杆、产业发展的大牛。

过去我们讲读写存、生活染、天地生、红黄蓝,今天再加上一个真善美。这是华大的价值观。

浩瀚宇宙万物,科学为真——真,科学至上、真理为天、从我做起,时空检验方是真 ;达则兼济天下,人之本善——善,生命至上、治病救人、尽我所能,火眼行动就是善,生活染贯穿大善 ;心里美外在美,行动更美——美,人民至上、天下四无、造福人类,精彩人生才是美,全球覆盖最最美。


(本文内容节选自 2022 年 1 月 21 日集团年终会上汪建“518 的时空演进”主题演讲)



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