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首页 > 同行 > 2022年06月刊 > 聚焦 > 陈奥:在华大的“时空”之旅

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陈奥:在华大的“时空”之旅作者:

时空启程

2019年3月,当时都在华大研究院生化所的陈奥与刘龙奇一如既往地在某次培训间隙畅谈起来。当两人聊到未来规划和技术展望时忽然碰撞出了一个念头:我们华大的DNA纳米球技术芯片,是不是也能用来做单细胞测序和空间定位呢?

自从2013年收购CG以来,华大团队就在和美国CG团队联合开展基于DNA纳米球的测序技术研发工作。随着测序平台的成功开发,研发团队开始新的设想:华大的测序平台,除了测序以外是否能够做一些新的事情?

“我们的测序芯片跟全球同行相比,不仅点阵密度很大,芯片面积也很大。无论用于筛选还是定位,它都有潜力成为一个更通用化的平台,而不只是测序。”陈奥说,“其实2018年开始,我们已经和CG团队在芯片的运用上做了一些尝试,比如自主研发了CRISPR系统并加到我们的测序芯片上,实现了一个非常高通量的PAM序列检测方法。我们还尝试过用微孔芯片的方法来进行单细胞测序等。”

这次讨论,给了陈奥一个启发,就是将细胞或组织直接跟芯片进行接触,通过标签的方法,实现超高通量和超高分辨率的单细胞标记或空间的定位。

因为有了新的灵感而兴奋起来的陈奥立刻组织了更深一轮的咨询与讨论。相关参与研究的同事和业内专家,不约而同地对这个尚在酝酿中的技术表现出了强烈的兴趣与期待。陈奥回忆道“大家对我们能够实现的技术性能非常地惊讶。因为我们的芯片是全球唯一能实现500纳米分辨率和厘米级视野的,而当时最顶尖的技术仅能实现200微米分辨率,几百个细胞混在一起无法分开。大家都觉得如果我们这个技术能出来,首先分辨率上有百万倍的提升,可以第一次实现亚细胞分辨率,其次视野上可以绘制厘米级的器官,这使得以前想都不敢想的人类时空图谱成为可能!”

在大家的鼓舞之下,陈奥立刻准备了一个可行性报告,这个想法很快得到了汪老师与徐讯院长的大力支持。华大“时空”就此开启。

“兼职特工队”

然而,时空项目的开端却并非我们所想的那样顺利。

时空项目开启之初,做过测序研发的陈奥意识到,时空组学技术的研发也是一个大规模系统性工程。要把设想变成现实,首先需要集结一个跨学科的团队,需要有生物化学、软件研发、硬件研发、蛋白工程、有机化学、表面修饰等方面背景的人才加入。虽然研究院经过多年的培养,积累了一批跨学科的技术高手,但是大家一来都有年度任务要完成,二来接触的新技术多了,很多人一开始对这个新项目并不看好。在陈奥的努力下,陆陆续续地,负责平台搭建的DIPSEQ团队、负责算法的黎宇翔团队、负责生化研发的廖莎团队、负责组织和细胞处理的刘龙奇团队等多个团队慢慢碰撞、磨合,在共同的理想之下,走到了一起。就这样,无预算、无编制的“兼职特工队”,走上了时空组学工具的开发之路。

回想起最开始的日子,大家都是在兼顾本职工作之余投身时空。很多人甚至过起了“双重生活”,上班各司其职,下班后摇身一变,加入到时空早期的实验中来。然而“兼职”没有限制大家的热情、投入与创造力,成员们时常聚在一起脑洞大开,新奇的想法层出不穷。2020年疫情期间,陈奥和很多同事一起“入驻”实验室,不同专业与背景的成员们发挥所长,碰撞出了无数火花。

疫情期间,陈奥和廖莎在实验室讨论遇到的问题

当有人提出可以用电场去捕获RNA时,大家就在纳米球溶液里插两个电极,再用肉眼去看纳米球在显微镜下的移动。同时,做硬件模拟的同事使用软件来计算电场和电流驱动下的纳米球会如何移动。

早期时空实验使用的BGISEQ-500的芯片因为有外框,无法接触到纳米球。因为疫情期间条件的限制,大家甚至重拾了学生时代手工课的技巧,用雕刻、锯材等手工方法去掉边框,同时尽可能让芯片保持完整来开展实验。

“在时空组学技术研发的初期,很多人给了很多的建议,也有很多激动、难忘的回忆,大家身兼数职,在一个小小的实验室里就实现了这个大技术。”陈奥笑着说。

时空成员们讨论、协作,克服各种困难

从无到有

在跨学科团队的努力下,2019年10月,华大时空组学技术的整个流程,包括生化、可视化的软件等有了一个初步的版本。此时,技术人员需要用一种标准品的图谱来作为技术的基准,陈奥与团队选择了小鼠的大脑。于是,华大时空组学的第一张图谱诞生了。

华大第一张时空图谱:鼠脑图谱

“不完美却意义非凡。”这是陈奥对于这张图谱的评价。不完美是因为在今天看来,这张图谱还存在很多问题,比如捕获效率太低,空间分布上也很随机。但是对于时空团队而言,这张图谱意味着时空组学技术终于从PPT上的构想,转变成了真正看得见摸得着的成果。“与其说是成果,这张图谱更像是一种见证。它意味着我们最开始的想法是可行的,整个流程、原理验证走通了。”陈奥说。

第一张图谱的出现给时空团队带来了信心,而它的不完美又给他们带来了动力。2019年10月之后整整一年多的时光里,团队一鼓作气,不断地提升技术性能、效率、空间分辨率等。到2020年底,华大时空组学已基本实现了最初的设想:拥有500纳米的分辨率的同时,能获得厘米级别视野的高质量数据。

随着技术的逐渐成熟,2020年10月,华大时空第一个试剂盒开发完成,技术也有了一个响亮的名字“Stereo-seq”。在当年的ICG分会上,徐讯院长正式向全球进行成果发布。从技术发展的角度上看,试剂盒的发布是华大时空组学技术走向应用的重要标志。陈奥说:“在此之前,无论我们怎么去优化,这个技术都只是‘攒在自己手里,停留在汇报的PPT里’。有了试剂盒之后,这个技术才能真正地走入研究院各所以及外部合作方的实验室里,接受用户的检验。”

徐讯在ICG-15分会上发布时空组学成果

也正是这时,华大研究院启动了第一期时空专辑的科研规划。最初与陈奥一起讨论、产生灵感的刘龙奇团队这次成了时空团队的“大客户”,两支队伍再次“会师”,相互配合,在Stereo-seq技术研发和应用方向不断前进。

时空组学试剂盒的出现不仅推动了华大内部的科研,也获得了外界的关注与兴趣。2021年初,一位陈奥完全没有想到的“大咖”悄然走向了华大时空。

来自神经所的“橄榄枝”

2021年2月,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心(简称中科院神经所)蒲慕明院士在大年二十九带着整个团队来到深圳并了解了华大的时空组学技术。蒲院士看到了时空组学技术在脑科学领域的潜力,并代表神经所向华大时空团队递出了“橄榄枝”。陈奥和时空团队成员们在大年初二就带着芯片飞到了上海。

“我们花了一周左右的时间,在神经所把时空实验室建了起来,并且按照鼠脑的标准将流程走通了。”陈奥回忆道。原本一切都十分顺利,但在临走的那一天,他们发现准备带回深圳测序的DNA产物在检测时竟显示浓度为0!一时间大家都蒙了,难道前面紧锣密鼓的筹备与实验出了问题?难道与神经所的共同努力要付之东流?顶着巨大的压力,时空团队决定:就算是水也要带回去测一测,看看到底出了什么问题。

一回到华大,大家立刻开展调查,结果虚惊一场,试管里是有DNA产物的。最终,通过测序,这一次的鼠脑被非常完美地呈现了出来。陈奥看着这一次的鼠脑图谱,第一次清楚地感受到:Stereo-seq技术无论是在深圳、上海还是在全球任何一个地方做都是没问题的,时空技术真正经受住了考验!神经所递来的“橄榄枝”,华大时空团队接住了!

时空团队用标准品鼠脑和S1 试剂盒对神经所团队开展培训

压力测试

鼠脑的结果令神经所十分激动,立刻准备启动猴脑时空图谱的绘制。猴脑样本是5厘米×3厘米的尺寸,比以往的样本都要大,这对于时空团队来说是个巨大的挑战。“在此之前我们只在1厘米×1厘米的芯片上操作过,所以要做猴脑的图谱,我们不仅要使用大芯片,还要在短时间输出一个大芯片的操作手册。”陈奥说。

芯片的问题立即得到了后方的支援。在鼠脑做成的当天,徐讯院长就组织会议,要求所有的产能向神经所的项目倾斜。因为当时生产出来的芯片都是6厘米×6厘米,一般标准工艺需要把它切成36份的1厘米×1厘米的芯片。为了匹配神经所做mRNA影像的需求,华大根据猴脑的不同脑区大小,将芯片切割为合适的尺寸再送往神经所实验室。

方全力支持,前方披荆斩棘,第一张猴脑切片的时空组学实验就在与无数未知困难的交战下开始了。“我们称之为压力测试。”陈奥说,“这个实验的人机料法环几乎都是从零开始去规划和解决的。许多细节问题不断出现,比如猴脑样本的大芯片应该用什么样的培养皿去装,猴脑切片如何能平整地贴在玻璃片上,试剂应该加多少等。感谢董办的大力支持,在从无到有的整个过程中,谢青帮助我们设计了很多流程文档,他丰富的经验为神经所项目在早期确定实验流程提升了效率。”

华大时空团队与神经所团队协作,白天做实验,晚上写SOP文档,第二天就出流程并实施,然后再实验,晚上继续讨论修改,白天继续优化流程,如此循环反复,解决了数不胜数的问题。

白天实验,晚上总结

“时空组学的实验首先需要用玻璃片来模拟,这个过程中,除了玻璃片,我们还加了两张真实的时空芯片。cDNA产物带回深圳之后,我们通过测序,得到了世界上第一个猴脑的5厘米×3厘米的大芯片图谱。”陈奥自豪地说。

这张图谱不仅展现出了猴脑的形状,在放大之后,每一个神经元的分布也清晰可见。所有团队成员欣慰于它的精细之余,也陶醉于它的美丽。

全球首个超大视野(5厘米×3厘米),超高精度(500纳米)的时空图谱

乘风而起

前期的艰苦探索为正式实验铺平了道路。2021年3月24日至29日,华大共15个人参与了该项目,神经所投入了20多人,大家每天从早上八点一直进行到凌晨一两点,花了6天的时间,完成120张猴脑切片,并将全部cDNA寄到深圳测序。

最终,猴脑的时空实验获得了300Tb的数据。“从2021年下半年到现在,研究院和神经所的团队都在分析这些海量的数据。”陈奥说。

对陈奥而言,猴脑的时空组学实验本身就是一个重大突破。

“以前,我们只想着把1厘米×1厘米的技术做好,”陈奥说,“通过这次合作,时空团队在神经所的实验室里完成了大芯片的方法开发。这对于我们来说是一个急速的成长。”

从工具的角度来说,时空团队与神经所的合作证明了时空芯片已经能在华大之外被应用于科研。神经所的条件、实验室配置与华大截然不同,团队能在新的环境将实验顺利推进,足以说明华大的时空组学技术已发展到稳定可靠的阶段。

蒲院士是“全脑介观神经联接图谱”大科学计划的发起人之一,在脑科学领域已跋涉攀登20多年。他肯定了华大时空组学Stereo-seq技术在脑科学领域的潜力,合作产生的第一张猴脑的时空图谱,对脑科学领域有非常重大的意义和价值。“全脑介观神经联接图谱”大科学计划最初的规划是力争在2025年完成小鼠、2035年完成猕猴的全脑介观神经联接图谱的绘制。基于华大时空组学Stereo-seq技术的发展,这个计划有潜力提前完成。

“这也是为什么现在全球的脑科学研究团队都在联系华大,大家都看到了这个技术能够给脑科学,以及其他生命科学领域带来极大的突破。”陈奥说。

作为团队负责人,时空团队的蜕变也是这个项目给陈奥的宝贵回馈。“在神经所的那两个月,每天新的问题层出不穷。大家并肩努力,充分发挥各自的经验最终战胜了困难。我发现通过参与这种大型的项目,能够把大家的凝聚力和潜能都发挥到极致。这对于团队,以及对我个人来说,都是一种能力和认知的突破。”

猴脑项目团队大合影

时空璀璨

如今,华大时空已在全球发出璀璨的光芒,吸引着全球各个领域的团队前来交流与合作。“大家提出了许许多多的设想与需求,我们也在努力实现这些目标。”陈奥说,“今年,我们会有新的技术迭代。未来,不光是做转录组,我们也希望把蛋白组加进去,那就能真正意义上从空间单细胞的角度解析多组学信息了。我们适配石蜡样本的方案已经准备就绪,全球数以亿计尘封在样本库里的标本将重新复活。我们的一体化时空软件即将面世,五位一体的时空硬件解决方案也将很快推出。”

在技术研发以外,2022年陈奥与团队希望能够在临床方向再进一步,和卞修武院士等海内外团队开展临床时空病理的合作。陈奥说:“我们希望能够通过Stereo-seq技术,去解决现在病理科没有办法解决的问题。比如,现在的病理科主要是用染色的方式去看细胞,在很多疾病上很难去做精细的分子分型,而Stereo-seq技术有潜力去重新定义这些疾病,寻找更好的疾病治疗方法。”

对于年轻的华大时空而言,这简短的“出生日记”或许并不算震撼,但每一步的背后都是无数努力与奋斗的故事。

陈奥感慨道“别人用10年时间研发的技术,我们花了不到3年就实现了。这是因为与他们相比,我们拥有顶尖的人才团队、自主的测序平台、全球领先的研究院、以及全华大各个兄弟部门的大力支持。这一路,整个时空团队,以及华大各个体系和部门都付出了很多。时空的阶段性成果不是偶然,而是集华大之力的一次厚积薄发。我非常荣幸能够跟大家一起将时空组学技术做出来,给到众多领域的科研团队开展应用。未来,我希望继续与大家一同前进,用时空组学技术去寻找生命起源、认知疾病,最终造福人类。”


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