用单细胞多组学解码生命奥秘，开发一站式单细胞测序解决方案

技术创新是第一生产力。

自 2001 年起，《麻省理工科技评论》每年都会进行“十大突破性技术”的评选。

20 年间，许多在当年初露头角的新兴技术如今已被大众熟知，它们从多个方面深刻改变了人们的生活与认知、重塑了众多产业领域与赛道。

11 月 4 日，科技之巅·《麻省理工科技评论》“十大突破性技术”二十周年主题峰会在杭州未来科技城拉开帷幕，来自生命科学、能源气候、人工智能、信息技术、智慧生活等多个领域的学术专家、行业领袖和高校、机构、企业代表齐聚一堂，以探索精神为镜、以求索态度为引，共话未来新型科技产业发展动向。

此次峰会上，20 余位资深专家围绕“生命科学的无限可能”、“‘碳’索新生态”、“数智新动能”三个板块进行了主题演讲，分享了他们在各自领域的真知灼见。其中，墨卓生物资深科学家徐云飞在会上以“单细胞多组学解码生命无限奥秘”为题，介绍了基因测序技术的前世今生，以及基于液滴微流控的单细胞测序技术的发展历程、研究现状、应用前景等。

从中国科学技术大学本科毕业之后，徐云飞进入哈佛大学攻读博士学位，博士期间主要从事表面化学和能源转化方面的相关研究。截至目前，他已在 Nature Communications、Chemical Society Reviews、Angewandte Chemie International Edition、JACS 等期刊发表论文 12 篇，被引数超过 4100 次。

基因差异是生物多样性基础，也是破解“生命天书”关键

生物多样性使得世界缤纷多彩，而基因是生物多样性的物质基础。“基因调控生物的多样性、特异性以及功能与命运。”徐云飞指出。

作为一种线性大分子，基因是由四种化学物质单元——碱基对拼接而成。“类似于四种形状不同的乐高积木，四种碱基对首尾相连进而拼装出各种生命形态，无论是物种层面的花鸟鱼虫、飞禽走兽，还是个体层面的高矮胖瘦、男女老少，芸芸众生的遗传基础都是基因，基因让你我它‘和而不同’。”他介绍道。

除了物种与个体层面，在细胞层面基因也存在差异。“比如，同样是源自一个受精卵，有的细胞发育成干细胞，有的细胞发育成神经元，而有的细胞可能会变成癌细胞。正是基因层面的差异，使得这些细胞本是同根生，命运大不同。”他说。

图｜基因在物种、个体和细胞层面调控生物多样性

破解基因这本“生命天书”——对基因进行测序一直是全球科学家们不懈探索的前沿领域之一，在基因测序漫长的发展历程中曾出现过三次里程碑事件。

第一次是在 1977 年，人类首次掌握测定 ATCG 四种碱基对顺序的方法，开发出了第一台测序仪并用其测定了世界上第一个基因组序列。

第二次是在 1990-2003 年间，随着“人类基因组计划”的启动，人类开始在多个细胞的层面进行个体或组织层面的全基因组测序。

传统的基因测序方法，是将多个细胞内的基因混在一起进行测序，由于细胞众多，传统方法得到的仅仅是一个平均结果。“人体内的两个细胞之间的基因组差异平均 1 万个碱基对里大约只有 1 个不同，即对于同一个个体基因差异只有万分之一。人体总共有将近 30 亿个碱基对，万分之一的差异也就意味着其中大约有 30 万个碱基对不同。”徐云飞说道，“更为关键的是，这 30 万个存在差异的碱基对决定了两个细胞之间的功能和命运差别，因此传统基因测序方法难以精确识别同一个体细胞之间 30 万个差异碱基对。”他指出。

第三次是在 2009 年，为了解决传统基因测序不具备单细胞分辨率的问题，单细胞测序技术应运而生，其核心是能够对单个细胞进行捕获、标记以及测序。

“将测序分辨率从多细胞平均结果提升到单细胞层面是一项巨大进步，对单个细胞里面的核酸分子进行测序，便可以从生命基本单元的角度去精细地解读‘生命天书’的全貌，进而能够对生命科学和精准医疗带来无限可能。”徐云飞说道。

基因层面解读生命基本单元，赋能生命科学与精准医疗

单细胞测序技术能够让人类从生命基本单元的层面去解读“生命天书”，为生命科学和精准医疗带来了更广阔的想象空间。

在生命科学领域，借助单细胞测序技术可以从基因层面解读生命基本单元，探索基因如何调控细胞的分裂和分化、命运轨迹以及生老病死。“这就类似于化学家可以从单个原子、分子的层面去研究化学反应一样，其意义不言而喻。”他说道。

在精准医疗领域，通过单细胞测序技术可以赋能开发精准靶向病变细胞的特效药物。“比如，肿瘤组织中可能只有 10% 的细胞是癌细胞，其余 90% 的细胞都是正常细胞，用单细胞测序就可以把 10% 的癌细胞筛选出来，进而设计靶向癌细胞而不影响正常细胞的精准特效药物。”他说道。

图｜单细胞测序技术的发展历程（来源：Nature Protocols）

从 2009 年单细胞测序技术初出茅庐，到 2017 年左右较为成熟的商品化产品问世，单细胞测序的通量从最初的手动操作一个细胞，跨越到如今可以自动处理上万个细胞。“然而，单细胞测序技术从实验室走向产业化并不是件容易的事情，这是一项跨学科技术积累的过程，涉及微纳加工、分子生物学、化学与材料科学、机械工程学、生物信息学等多学科领域的交叉。”徐云飞指出。

单细胞测序技术的核心，是针对单个细胞进行捕获、标记以及测序，而对单个细胞进行捕获和标记的核心方法之一是微流控技术。

所谓微流控，是指对于微尺度流体的精确操控，借助内部刻有微米级精度流道的聚合物芯片，能够快速、稳定、可控地生成数以万计的微小液滴，并将一个细胞和一个标签微球封装在液滴内部。“微小液滴相当于是为细胞提供了一个独立的反应容器。在液滴内部，分子标签与细胞内核酸分子互补结合，从而起到为细胞核酸分子增加标签的作用。”徐云飞解释道。

有了分子标签，在测序数据分析时便可通过这些特异性分子标签追溯每一段核酸分子来源于哪一个细胞，进而可以得到具有单细胞分辨率的基因测序数据结果。

“液滴微流控方法单细胞测序的核心，是利用微小液滴捕获和标记单个细胞，通过分子标签来溯源每一段基因来源于哪一个细胞，如此一来就能够得到来自某一个细胞所有的基因信息。”徐云飞总结说。

师从微流控技术泰斗，创办公司回国进行产业化落地

2015 年，哈佛大学 David Weitz 教授在 Cell 上先后发表了两篇研究论文揭示了基于液滴微流控的单细胞测序技术。他是液滴微流控领域奠基人之一，同时也是将液滴微流控技术应用于高通量单细胞测序的技术发明人。

“墨卓生物的两位创始人裴颢和郑文山都是 David Weitz 教授的博士生。在导师大力支持下，他们对液滴微流控技术进行了进一步创新，并计划在中国进行产业化落地探索。”徐云飞介绍说，“2018 年，他们联合校友刘寒博士在哈佛大学校园里创办了墨卓生物，随后完成了技术路线验证。2020 年，他们三人回国并将墨卓生物落地浙江。”

两年的时间，墨卓生物完成了从海外创立到扎根中国。立足国内后，又经过两年打磨，墨卓生物于今年 4 月发布了旗下首款产品——MobiNova 高通量单细胞多组学测序解决方案，提供包括建库系统（仪器）、芯片、试剂、软件在内的端到端解决方案，能够覆盖全流程实验需求。

图｜墨卓生物 MobiNova 高通量单细胞多组学测序解决方案（来源：公司宣传资料）

“这套系统提供了包含仪器、芯片、试剂、软件等在内的一站式单细胞测序解决方案，具有价格、速度和技术三方面的优势。”徐云飞介绍道，“在价格和速度方面，墨卓生物通过技术创新、国产替代以及供应链结构优化，实现在不牺牲性能的前提下用户端成本的显著降低。同时，该产品能够在6 分钟内完成细胞内核酸分子的捕获和标记，有效降低不稳定的核酸分子随时间推移而降解的风险。”他补充道。

“技术方面，墨卓生物在多项核心技术上进行了独家创新，自主研发了细胞和试剂“分区”设计、细胞和微球包裹高速流道，以及 Lightcut 光激发分离三大创新技术。”他介绍说。比如，该微流控芯片可以将细胞和试剂分开导入芯片，在增多一个流道变量的基础上实现高效微流控，从而降低试剂对细胞的应激干扰，同时实现可高达70% 的细胞捕获率。此外，墨卓生物独家开发光激发分离分子标签微球，可以通过紫外光照来高效释放分子标签微球表面的分子标签，避免微球溶解产物对后续反应体系造成影响。

更为关键的一点，墨卓生物拥有完整的自主知识产权，整个系统全都可以在公司内部进行研发和迭代，因此能够通过不断地打磨产品，从而实现更高的性能参数指标，与国际主流产品质量平齐乃至超越。

就现阶段而言，限制单细胞测序技术广泛应用的瓶颈之一是价格过于昂贵，市场对于“降本”的需求非常强烈。“综合价格、速度和技术三方面的突破，相较于国际主流产品，我们开发的 MobiNova 高通量单细胞多组学测序解决方案是更具高性价比的产品。”他说道。

对于未来的企业发展规划，徐云飞指出，“旗下首款产品的推出仅仅是墨卓生物千里之行的第一步，未来我们将会基于“T”字型发展战略布局多组学产品线，横向拓展产品、纵向深耕技术。”

接下来，墨卓生物未来将陆续发布针对 RNA、DNA、蛋白质、代谢物等多种生物大分子的多组学产品线，比如针对表观遗传的单细胞测序产品，以及能够反映细胞位置信息的空间组产品。“样本方面，从新鲜样本拓展到 FFPE 回溯性样本、从动植物细胞样本拓展到微生物样本。另外，还将持续性优化从样本处理，到上机试验，再到数据分析的一站式解决方案。”他介绍道。

同时，墨卓生物将在芯片、试剂、微球、软件、方法学等底层技术方面进行突破创新，在多个领域进一步地去探索应用突破，如临床检测、新药研制、数据库开发、AI 助力单细胞测序等领域，深入挖掘用户需求，以此来反向开发和优化产品以便解决更多尚未被满足的临床需求。“此外，还将围绕单细胞测序开发高质量的‘中国方案’，在性能和国外产品齐平乃至超越的前提下实现整体解决方案价格的大幅降低。”他补充说。

在全球层面，单细胞测序仍然是一个相对比较新兴的技术，而这也恰是中国可能在国际生物技术和应用领域进行弯道超车的一个潜在赛道。放眼国内，单细胞测序产业链非常庞大，而墨卓生物在产业链中所扮演的角色是产品开发和优化。“未来，希望能在基因测序的‘单细胞’时代潮头，借助高通量单细胞多组学测序技术，与产业上下游携手合作，共同构建中国单细胞测序产业新生态，用生命科学服务人类健康。”徐云飞总结说。

审核编辑 ：李倩