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中國科學(xué)家將基因組分析速度提升5倍

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中國科學(xué)家將基因組分析速度提升5倍



自基因組學(xué)技術(shù)問世以來 ， 測序與分析一直是基因組學(xué)技術(shù)中最主要的兩個環(huán)節(jié) 。 實(shí)際上 ， 與繁重的測序工作相比 ， 基因組的分析也同樣復(fù)雜 ， 需要耗費(fèi)大量時間 。
然而 ， 隨著近年來基因組學(xué)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn) ， 這種狀況正在逐步改變 。
日前 ， 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所阮玨團(tuán)隊(duì)在《自然·方法學(xué)》上發(fā)表了第三代測序數(shù)據(jù)組裝算法Wtdbg ， 極大提高三代測序數(shù)據(jù)的分析效率 ， 與今年4月發(fā)表在《自然·生物技術(shù)》上的Flye算法相比 ， 分析速度提升了5倍 ， 并首次將測序數(shù)據(jù)分析時間降低到少于測序數(shù)據(jù)產(chǎn)出時間 。
基因組的測序與分析
DNA測序技術(shù)成熟于上世紀(jì)70年代中后期 ， 1990年人類基因組計劃的提出 ， 將基因組測序技術(shù)逐步由實(shí)驗(yàn)室邁入商業(yè)化階段；到2004年人類基因組計劃完成時 ， 第二代基因組測序技術(shù)已經(jīng)相對成熟 ， 開始大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用；2013年 ， 單分子等第三代測序技術(shù)出現(xiàn) ， 也預(yù)示著測序技術(shù)應(yīng)用更廣 ， 測序的成本越低 。
“如今 ， 完成一個人的全基因組測序是普通家庭都可以負(fù)擔(dān)起費(fèi)用的‘平?！虑榱?。 以三代測序?yàn)槔?， 完成個人全基因組測序僅需1天時間、費(fèi)用低于5萬元 。 ”論文作者、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所研究員阮玨告訴經(jīng)濟(jì)日報采訪人員 。
在測序技術(shù)日新月異的同時 ， 分析技術(shù)也在共同成長 。 以人類基因組組裝為例 ， 在2014年需要消耗50萬個CPU小時 ， 且只能在超大計算機(jī)集群上進(jìn)行 。 因而 ， 以全基因組組裝方式對群體進(jìn)行測序分析已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)研究的趨勢 。
關(guān)鍵鑰匙：模糊布魯因圖
Wtdbg算法的開發(fā)得益于一個新的組裝圖理論——模糊布魯因圖的提出 。 模糊布魯因圖借鑒了德布魯因圖的思想 ， 將測序數(shù)據(jù)切分為固定長度的短串 ， 再從短串構(gòu)建出的圖上恢復(fù)出全基因組序列 。
【中國科學(xué)家將基因組分析速度提升5倍】上世紀(jì)90年代 ， 德布魯因圖被引入基因組組裝領(lǐng)域 ， 其以速度優(yōu)勢常用于第二代測序數(shù)據(jù)的組裝分析 ， 但因測序噪音極高 ， 從未成功應(yīng)用在第三代測序數(shù)據(jù) 。
2013年起 ， 阮玨和美國哈佛醫(yī)學(xué)院的博士李恒在德布魯因圖基礎(chǔ)上 ， 設(shè)計出一個新的組裝圖理論——模糊布魯因圖 。 通過重新對短串進(jìn)行定義 ， 它能夠容忍高噪音數(shù)據(jù) ， 并隨后對生成組裝圖和恢復(fù)基因組序列做了大量相應(yīng)的重構(gòu) ， 使其兼具高效率和高容錯的優(yōu)點(diǎn) 。
不斷進(jìn)化的新算法
近年來 ， 生物信息學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家們致力于改變這種數(shù)據(jù)產(chǎn)出速度遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)分析速度的尷尬狀況 ， 不斷開發(fā)出更高效的組裝分析算法 。
2013年 ， 阮玨與李恒合作開始了測序數(shù)據(jù)分析方法如組裝算法的開發(fā) ， 力求推動測序數(shù)據(jù)的分析速度更快、分析質(zhì)量更高 。 2016年 ， 他們的研究結(jié)束 ， 并將研究成果Wtdbg對所有人免費(fèi)開放使用 。 3年來 ， 這項(xiàng)成果不僅被幾十篇學(xué)術(shù)論文引用 ， 還被國內(nèi)多家基因測序分析公司作為主要組裝分析工具 ， 并且在2019年世界大學(xué)生超算競賽中作為性能測試賽題 。
“我們收到大量反饋 ， 不僅有助修訂算法軟件中的漏洞 ， 還帶來了新想法和思路 。 算法需要不斷在實(shí)踐中完善 ， 只有通過更多實(shí)際應(yīng)用 ， 我們才能更有效調(diào)整改進(jìn)這套算法 。 目前的算法與2016年相比已經(jīng)是2.0版本 ， 而更高版本的算法于今年初也開始了研究 。 ”阮玨告訴采訪人員 。

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