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國際基因組學大會 揭示產學研發趨勢

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全球基因體研究的年度盛事──第 12 屆國際基因組學大會 (The 12th Ineternational Conference on Genomics;ICG-12),於 10 月 26 日在深圳的中國國家基因庫盛大展開,以 Omics for all (基因科技造福人類) 為主題,探討如何把科學轉化為應用,實現人人都能使用的基因组革命,大會邀集全球超過千位基因體學界的學者、專家,研討領域涵蓋:體學與醫學健康 (Omics for Medicine and Health)、新興的體學科技(Emerging Technologies of Omics) 、基因體編輯與編寫(Genome Editing and Writing)、基因體生物學(The Biology of Genomes) 等幾大主軸,探討如何把科學轉化為應用,實現人人都能使用的-基因體(组)革命。

合成生物體學:基因體編輯與編寫應用崛起

哈佛大學和麻省理工學院健康科學與科技教授以及哈佛大學韋斯研究所生物工程部門的創辦者喬治丘奇 (George Church) 表示,DNA 讀取和編寫技術的進展呈現指數型成長,比積體電路的摩爾定律 (Moore`s law) 進展速度快上 2~10 倍,近年來 DNA 的讀寫產生了劇烈變化,其中一個原因是分子的 multiplexing,讓我們可以大量的分析序列。在 DNA 讀取方面,而新的定序技術如 Oxford Nanopore,具有長讀數,及高達 100kb 的高通量,前景相當看好。在 DNA 編寫方面,合成生物學中 multiplexing DNA 晶片可以合成 DNA。

喬治丘奇 (George Church) 博士

喬治丘奇 (George Church) 博士

合成生物學中的很重要的一個是改變基因或表觀基因,我們可以加入 DNA、刪除 DNA、替換 DNA,或改變表觀修飾但不修改 DNA 序列,因此而發展出嶄新型態的基因重編有機生物體 (Genetically Recoded Organisms;GROs),不僅能干擾病毒基因體的轉錄而達到弱化效果,還有潛力發展出器官移植所需的擬人化動物 (Humanized Animal) 模式,都能透過基因編輯的方法來達成,可望挽救並延續全球數千萬人的生命。

有鑑於基因體編輯與編寫應用崛起,ICG-12 大會主席楊煥明院士宣布華大基因 (BGI) 與喬治丘奇 (George Church) 教授合作成立 喬治丘奇合成生物研究所 (George Church Institute of Regenesis),共同攜手為合成生物體學的進展和應用投注更多資源和努力。

ICG-12 大會主席楊煥明 院士

ICG-12 大會主席楊煥明 院士

ICG-12大會主席楊煥明 院士 (右三) 宣布華大基因 (BGI)與喬治丘奇 (George Church)教授 (右四) 合作成立 喬治丘奇合成生物研究所 (George Church Institute of Regenesis)

ICG-12大會主席楊煥明 院士 (右三) 宣布華大基因 (BGI)與喬治丘奇 (George Church)教授 (右四) 合作成立 喬治丘奇合成生物研究所 (George Church Institute of Regenesis)

基因體生物學:現代科技的挪亞方舟

地球自數百年前開啟工業革命進入人類世 (Anthropocene) 以來,全球的氣候變遷與人為的環境汙染,讓許多生物物種加速走向瀕臨滅絕,大幅降低了地球原有的生物多樣性與生態平衡。美國自然與歷史博物館的研究員 John Kress 說明,我們對於地球物種的認識仍然短缺,據估計全球的物種種類約在 300 萬至 2000 萬種之間,但目前僅有 175 萬種生物被確認。然而,我們對於生物基因體的認識更是表淺,即便基因科技發達的今日,全球也僅有 0.3% 的物種基因體序列被定序完成。因此在 2017 年 2 月,地球生物基因體計畫 (Earth Biogenome Project;EBP) 首次在 John Kress、Oliver Ryder 與楊煥明等重量級學者的共同倡議之下展開,目標設定 10 年內將地球上所有生物物種的 DNA 基因體定序完成,以達到保留生物多樣性和人類的永續發展。

美國自然與歷史博物館的研究員John Kress介紹地球生物基因體計畫(Earth Biogenome Project;EBP)

美國自然與歷史博物館的研究員 John Kress 介紹地球生物基因體計畫 (Earth Biogenome Project;EBP)

美國聖地牙哥動物園遺傳保留研究所的 Oliver Ryder 博士也提出,為何我們需要保留生物體的細胞?因為在一些瀕臨絕種的動物,細胞樣本的及時保存很重要,否則未來可能空有技術但沒有樣本相當可惜。除了能夠更深入瞭解凍存物種的基因遺傳資訊,還能將凍存的細胞誘導成誘導性多功能幹細胞(induced pluripotent stem cell; iPS cell),將有助於這些物種未來的再生和復育。截至目前為止,聖地牙哥動物園的 Frozen Zoo 已經成功完成 104 種生物的全基因定序,而華大基因 (BGI) 也已經完成 15 種生物的全基因,堪稱現代版的挪亞方舟計畫。

基因體學與定序技術的突飛猛進

從次世代基因定序 (NGS) 問世以來,無論是基因體學或是基因定序技術的都發生劃時代進展,在科學研究領域和醫學臨床檢測的應用蓬勃發展,其中非侵入胎兒染色體基因檢測 (NIFTY 或 NIPT) 便是非常成功的臨床應用,儀器平台則是大家耳熟能詳的 Illumina 和 Thermo Fisher 為主流。但讀長太短一直也是次世代基因定序的弱點,對於高度雜合的基因組、高度重複序列、高 GC 含量的區域、拷貝數變異 (Copy Number Variation;CNV)、大片段的缺失 / 重複序列等問題,都面臨相當大的困難。因此,標榜單一分子、不需要進行 PCR 放大、讀長較長的三代基因定序 (Third Generation Sequencing) 也就應運而生,包括 Pacific Biosciences 和 Oxford Nanopore 都相當具有代表性。

Oxford Nanopore 的 Iain Maclaren-Lee 經理表示,Nanopore 開發的隨身基因定序裝置的最長讀長約為 200kb,每一次(48 小時)產生的數據量約為 16GB,2 小時即可將細菌病原(bacterial pathogen) 的基因定序完成,在基因體學 (Genomics) 尤其新物種定序、轉譯基因體學 (Transcriptomics)、甲基化體學 (Methlylomics)、總體基因體學(Metagenomics) 等方面的表現明顯優於現有的次世代基因 (NGS) 。廣州中山大學 謝志 教授則提醒,第三代定序(TGS)由於單一點變異的偵測錯誤率較高 (可達 15%),進行序列局部比對 (Alignment) 的步驟時可能衍生消耗大量運算資源和費用,嚴重影響了第三代定序應用的普及性。為了解決這樣的困難,謝教授研究團隊發展出一套名為MECAT的數據運算方法,可大幅提升序列比對和組裝的效能,並將成果發表於知名期刊Nature Method,估計將可以讓第三代定序的應用發展更加如虎添翼。

本屆國際基因體會議 (ICG-12) 還有一個值得關注的議題,中國保險學會與深圳華大生命科學研究院共同發起成立「基因科技與保險創新實驗室」,是目前除了美國以外少見的保險業與基因科學領域的跨界創新合作平臺,運用前瞻的基因科技預測疾病風險,鼓勵受保民眾提前採取健康促進的積極作為,同時減低醫療保險給付開支,發揮基因體產業的實質影響力。

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