深圳2020年7月13日 /美通社/ -- 單機解碼全基因組，從需要幾天到1小時，再到5分鐘，中國生物醫學原創技術究竟有多強？2020年6月，深圳承啟生物科技有限公司（以下簡稱“承啟生物”）利用自主研發的云平臺Chi-Cloud及高精度算法FANSe3，實現單機5分鐘分析完成一個人全基因組數據集，再度刷新世(shi)界(jie)紀錄。
承啟生物創始人、首席科(ke)學家張弓(gong)教授表(biao)示，“承啟生物的(de)解決(jue)方案(an)Chi-Cloud+FANSe3在攻破(po)了(le)無數個難題(ti)后，成功提升基因檢測(ce)分析速度(du)(du)。這一突(tu)破(po)最值得(de)關注的(de)是全自主(zhu)研發(fa)的(de)FANSe算(suan)法，實現精準(zhun)度(du)(du)之上的(de)速度(du)(du)飛躍；此外，這項中(zhong)國(guo)原(yuan)創技(ji)術不依賴(lai)專用(yong)加(jia)速芯片，讓基因測(ce)序不再被國(guo)外供應商‘扼住咽喉(hou)’，大幅降(jiang)低成本，為精準(zhun)醫療、普惠醫療貢獻(xian)力量。”
全自主技術 基因測序不再被扼住咽喉
核(he)心(xin)技術(shu)是(shi)國家與企業的(de)安(an)身(shen)立命之(zhi)本(ben)(ben)，只有(you)實現核(he)心(xin)技術(shu)自(zi)主才能不(bu)被扼住命運的(de)咽喉。承啟生物歷經6年自(zi)主研(yan)發的(de)FANSe算法(fa)已進入第3代，張(zhang)弓(gong)教(jiao)授透(tou)露，這(zhe)一算法(fa)不(bu)依賴專用(yong)加(jia)速(su)硬(ying)件，從根本(ben)(ben)上避(bi)免芯片禁運風險，這(zhe)項中國高端醫學(xue)技術(shu)將不(bu)再(zai)受(shou)制于人。
當前(qian)(qian)全(quan)(quan)球基因組(zu)測(ce)序(xu)大部分(fen)使用(yong)的(de)基礎算(suan)(suan)(suan)法(fa)為國(guo)外的(de)BWA、Bowtie等(deng)系(xi)列算(suan)(suan)(suan)法(fa)，單(dan)(dan)機運行(xing)效(xiao)率(lv)并(bing)不(bu)高(gao)。為提高(gao)單(dan)(dan)機運算(suan)(suan)(suan)速(su)度，常(chang)見方(fang)案是(shi)采(cai)用(yong)GPU、FPGA等(deng)專用(yong)芯片進行(xing)加(jia)速(su)。但(dan)受(shou)國(guo)內芯片技(ji)術局(ju)限，目前(qian)(qian)國(guo)內僅有自(zi)主CPU，而(er)高(gao)性能(neng)(neng)通用(yong)計算(suan)(suan)(suan)GPU、FPGA等(deng)芯片依(yi)(yi)然被國(guo)外壟斷。承(cheng)啟的(de)FANSe3算(suan)(suan)(suan)法(fa)只使用(yong)CPU進行(xing)計算(suan)(suan)(suan)，不(bu)依(yi)(yi)賴專用(yong)加(jia)速(su)芯片，可做到在國(guo)產(chan)硬件上高(gao)效(xiao)運行(xing)。此外，單(dan)(dan)機5分(fen)鐘分(fen)析(xi)全(quan)(quan)基因組(zu)的(de)高(gao)效(xiao)能(neng)(neng)，意味著(zhu)在對數據保(bao)密性要求的(de)特(te)殊領域（如軍事、公共安全(quan)(quan)、特(te)定(ding)的(de)醫療場景等(deng)），可直(zhi)接(jie)采(cai)用(yong)單(dan)(dan)機分(fen)析(xi)方(fang)式（Chi-Cloud小云模式），無需連接(jie)互聯(lian)網。算(suan)(suan)(suan)法(fa)針對國(guo)產(chan)測(ce)序(xu)儀(yi)進行(xing)特(te)別適配(pei)和優化(hua)，保(bao)障(zhang)精(jing)準醫學的(de)國(guo)家(jia)安全(quan)(quan)。
為應對國(guo)產(chan)CPU性能(neng)(neng)與國(guo)際頂尖水平的(de)現實差距問(wen)題，FANSe3和承啟云平臺架構在設(she)計(ji)之(zhi)初便支持大規模分布式運(yun)算和自適應任務調(diao)度，擴展性強，可利用(yong)多個CPU共(gong)同(tong)運(yun)算一(yi)個任務。“單(dan)機的(de)性能(neng)(neng)弱了怎么辦？可以(yi)把(ba)2臺、3臺、4臺甚(shen)至100臺機器捆起來一(yi)起用(yong)，彌補單(dan)個CPU性能(neng)(neng)的(de)不足(zu)，達到同(tong)樣甚(shen)至更(geng)好(hao)的(de)使用(yong)體驗。”張弓教(jiao)授說。
“單機5分鐘”推動精準醫學“更快、更便宜”
由(you)于(yu)核心技(ji)術完全自主，承啟生(sheng)物團隊可以對算法不(bu)斷改進(jin)，使FANSe3代(dai)算法在運(yun)算速度(du)上實現(xian)遠超國外算法的飛躍(yue)。“單機5分鐘”的意義不(bu)僅限于(yu)提升時間和效(xiao)率，更在于(yu)助推精準醫學普及。
目前(qian)先進的測序儀已能(neng)(neng)(neng)在一天(tian)內完成測序實驗，但(dan)(dan)數據分析用(yong)單機通常需(xu)要幾十個小時(shi)(shi)才(cai)能(neng)(neng)(neng)完成，但(dan)(dan)對許多臨床急性病癥(zheng)，時(shi)(shi)間就是生命。使(shi)用(yong)國外算法，各大云服務(wu)提(ti)供商在使(shi)用(yong)幾十上百臺服務(wu)器的情況下，僅能(neng)(neng)(neng)將分析時(shi)(shi)間壓縮至(zhi)半小時(shi)(shi)到一小時(shi)(shi)，而(er)使(shi)用(yong)FPGA等(deng)專用(yong)加(jia)速芯片，也只能(neng)(neng)(neng)實現1-2小時(shi)(shi)的分析時(shi)(shi)間，而(er)這(zhe)些都需(xu)要巨額的硬(ying)件投入和專業(ye)維護，能(neng)(neng)(neng)耗也居(ju)高不下。
本次承(cheng)啟生物實現的單(dan)機(ji)5分(fen)鐘(zhong)分(fen)析突破(po)，可讓大型測序中(zhong)心擺脫超(chao)算集群(qun)和專(zhuan)業(ye)人員(yuan)維護(hu)需求；硬件購置(zhi)費用大大降低，能耗(hao)也大為(wei)降低，綠色環保。
單機5分(fen)鐘的(de)速度，網絡傳(chuan)(chuan)輸是(shi)整體分(fen)析中的(de)瓶頸。一個人(ren)全基因(yin)組測序數據文件可高(gao)達240GB以上(shang)，以千兆(zhao)網的(de)速度都需(xu)要傳(chuan)(chuan)輸40多(duo)分(fen)鐘。為解決(jue)這一問題，承(cheng)啟為Chi-Cloud開發了(le)獨有(you)的(de)壓(ya)縮算(suan)法(fa)，達到(dao)了(le)1:10以上(shang)甚至1:20的(de)壓(ya)縮率，縮短原(yuan)本漫長的(de)傳(chuan)(chuan)輸時間，多(duo)節(jie)點間的(de)任務(wu)調配(pei)(pei)也更得心應手；與FANSe3算(suan)法(fa)深度配(pei)(pei)合，無(wu)需(xu)解壓(ya)即可直(zhi)接(jie)運算(suan)。
使用高(gao)速的(de)網(wang)絡接入，將數(shu)據傳輸至(zhi)承啟生物(wu)的(de)服務器上，測序中心甚(shen)至(zhi)不(bu)需(xu)購買和維(wei)護服務器，基(ji)因組測序的(de)分析成本降(jiang)至(zhi)幾乎可以忽略不(bu)計的(de)程度(du)。
所(suo)有(you)這些，都讓(rang)全基因組測序分析“更(geng)快”。以超高速的(de)(de)運(yun)算(suan)助力(li)重癥患者(zhe)“與(yu)死神賽跑”，盡力(li)避免治療(liao)“遲(chi)了一步”的(de)(de)遺憾(han)，為醫生、患者(zhe)爭取(qu)更(geng)多時間。
FANSe3算法+全鏈條穩健 實現“更精準”
與速度同(tong)樣重要的(de)是(shi)(shi)算(suan)法(fa)(fa)的(de)準(zhun)確性(xing)(xing)，張弓(gong)教授強調，“準(zhun)確性(xing)(xing)是(shi)(shi)所(suo)有(you)優(you)勢的(de)前(qian)提。FANSe3是(shi)(shi)全球(qiu)罕見的(de)準(zhun)確率(lv)有(you)數學證明的(de)算(suan)法(fa)(fa)，錯誤率(lv)已可穩定在十億分(fen)之一(yi)以下。經大量實(shi)驗表明，FANSe系列算(suan)法(fa)(fa)在基(ji)因組突變分(fen)析、轉(zhuan)錄組表達分(fen)析等(deng)(deng)應用上，準(zhun)確度幾乎為100%，秒殺國外基(ji)于BWA、Bowtie等(deng)(deng)算(suan)法(fa)(fa)方(fang)案，并在醫學科研和臨床應用中分(fen)析超過50萬例樣本。”
2014年(nian)(nian)，FANSe算法(fa)(fa)成為(wei)國(guo)際人類蛋(dan)白質(zhi)組(zu)(zu)(zu)計(ji)劃(hua)核(he)心支柱的首選(xuan)分析算法(fa)(fa)，為(wei)全面解(jie)析人類蛋(dan)白質(zhi)組(zu)(zu)(zu)做出了(le)關鍵貢獻。2017年(nian)(nian)9月，在(zai)國(guo)際人類蛋(dan)白質(zhi)組(zu)(zu)(zu)計(ji)劃(hua)世界大(da)會上(shang)，以(yi)張弓教授(shou)等(deng)為(wei)代表的廣(guang)東科學(xue)家團隊利用FANSe系(xi)列(lie)算法(fa)(fa)，發現數千個以(yi)往(wang)被(bei)認為(wei)不可能(neng)存在(zai)的人類“新蛋(dan)白質(zhi)”。最近(jin)，承(cheng)啟云(yun)平臺在(zai)中國(guo)自主(zhu)研發的基因組(zu)(zu)(zu)測序標(biao)準數據集的評測上(shang)，突(tu)變鑒定準確(que)性(xing)在(zai)全部幾十個標(biao)準數據集上(shang)均明顯高于(yu)國(guo)外主(zhu)流算法(fa)(fa)。
算(suan)法(fa)足(zu)夠準(zhun)確了，但另一個無(wu)法(fa)回避的事實是(shi)(shi)要實現基因測序(xu)的準(zhun)確性(xing)，算(suan)法(fa)只是(shi)(shi)一方面，另一方面，從采樣、運(yun)輸、前處理(li)到測序(xu)的實驗全(quan)過程必(bi)須萬無(wu)一失，承(cheng)啟生物稱(cheng)之為“全(quan)鏈條(tiao)穩健”。
張弓教授對(dui)“全(quan)鏈(lian)條(tiao)穩(wen)健(jian)”進行(xing)解讀：“為(wei)什(shen)么有些分析結果(guo)容(rong)易出(chu)問題(ti)？除部(bu)分算(suan)法(fa)不(bu)準確的因素，樣本(ben)本(ben)身在(zai)采(cai)集、保存和運輸過程中(zhong)發(fa)生改變(bian)，也會導(dao)致誤差出(chu)現。而分散、小型化測(ce)序(xu)由于(yu)高度依賴專(zhuan)業(ye)人員，在(zai)現有的經濟條(tiao)件下暫時無法(fa)大量推廣(guang)，也就無法(fa)避免樣品(pin)保存和長(chang)途運輸，無形中(zhong)增加精準醫療普及的難度。”正因為(wei)國內(nei)基因測(ce)序(xu)受限于(yu)各種技術的不(bu)穩(wen)定(ding)性，市場仍未實現真正發(fa)展。
而承啟(qi)生(sheng)(sheng)物(wu)的(de)(de)(de)(de)“穩”，來源于(yu)對整(zheng)個實(shi)驗(yan)(yan)過程(cheng)細節的(de)(de)(de)(de)精益求精和自主研發。承啟(qi)生(sheng)(sheng)物(wu)通(tong)過自有的(de)(de)(de)(de)保(bao)存(cun)運輸技術(shu)方(fang)(fang)案，在不使用干冰(bing)、冰(bing)袋的(de)(de)(de)(de)情況下，DNA和RNA樣品(pin)可以經(jing)受(shou)住-55~45°C的(de)(de)(de)(de)溫差波(bo)動三天而保(bao)持完好。在樣本前處理和建(jian)庫階段(duan)，承啟(qi)研發的(de)(de)(de)(de)實(shi)驗(yan)(yan)方(fang)(fang)案與(yu)“標準(zhun)(zhun)實(shi)驗(yan)(yan)方(fang)(fang)案”不同，即便樣本發生(sheng)(sheng)降(jiang)解，也能(neng)通(tong)過實(shi)驗(yan)(yan)方(fang)(fang)法(fa)和算法(fa)容錯等(deng)方(fang)(fang)法(fa)，實(shi)現(xian)近乎100%的(de)(de)(de)(de)準(zhun)(zhun)確性。原(yuan)創(chuang)技術(shu)帶來的(de)(de)(de)(de)穩健性擴(kuo)寬了基因(yin)檢(jian)測的(de)(de)(de)(de)應用場景，讓基因(yin)檢(jian)測不再依賴(lai)大(da)(da)(da)量專業人員，門檻大(da)(da)(da)大(da)(da)(da)降(jiang)低。穩健的(de)(de)(de)(de)體系也減(jian)少了因(yin)中間(jian)(jian)步驟造成的(de)(de)(de)(de)重(zhong)復測定，進一步壓縮了時間(jian)(jian)、降(jiang)低成本。
“快、穩、準”制定標準，助力精準醫療大爆發
當未(wei)來(lai)全基(ji)因組測(ce)序(xu)成(cheng)為(wei)常規(gui)檢驗(yan)，全國(guo)每天(tian)處理(li)的(de)樣本將達到海(hai)量(liang)。基(ji)于承啟生物自主技術(shu)的(de)超精(jing)準和超高速，可解決海(hai)量(liang)樣本分析(xi)中的(de)瓶頸與痛點，讓基(ji)因測(ce)以(yi)低成(cheng)本實現精(jing)準醫學的(de)落地，迎來(lai)廣泛應(ying)用場(chang)景，為(wei)行業發展提供有力(li)支撐。
當前，承啟生(sheng)物的(de)自(zi)主(zhu)化“快、穩、準(zhun)(zhun)”的(de)技術體系，被認定(ding)為國(guo)家重點計(ji)劃(hua)《醫(yi)(yi)學(xue)(xue)生(sheng)命主(zhu)學(xue)(xue)觀質量控制關(guan)鍵(jian)技術與(yu)示范應用》核酸組學(xue)(xue)部分(fen)的(de)基礎，也將成為今后國(guo)家相關(guan)質控標準(zhun)(zhun)的(de)重要依(yi)據。標準(zhun)(zhun)的(de)建立，將規范整(zheng)個行業，助力精(jing)準(zhun)(zhun)醫(yi)(yi)學(xue)(xue)應用的(de)行業爆發(fa)，也為承啟生(sheng)物開(kai)啟更廣(guang)闊的(de)發(fa)展前景。
