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武汉爱基百客生物科技有限公司(简称爱基百客),位于武汉高农生物园,办公面积逾3000m2,是一家专业提供单细胞与空间组学测序分析、表观组学科研服务和高通量测序分析的新型生物科技服务企业。

公司旨在为客户提供最专业的科研服务,运营至今合作的科研客户近千家,涵盖国内知名科研院所、高校以及相关生物企业,运营至今销售额超1亿元,科研成果曾多次在Cancer Cell、Plant Cell、Nature Communications、J HEMATOL ONCOL等国际高水平学术期刊发表,受到了客户广泛好评,是国内成长最迅速的高通量测序科研服务企业之一。

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NGS专题 | 聊一聊BGI和Illumina测序平台的差异

自上世界70年代第一代测序技术问世,测序技术平台经过了几代的进化,已广泛应用于生物医学的各个领域。目前,高通量测序主要以二代测序为主,而国内主流的二代测序平台有Illumina和华大BGI。今天小编从测序原理及应用表现上谈谈两个平台的差异。


NO1

测序原理


二代测序(NGS)主要分为三个步骤,分别为文库制备,扩增和测序。

  • 文库制备

文库制备阶段,首先需要将总的DNA或RNA片段化,将统一的接头序列连接到每一个片段末端。这些接头包含独特的信息,可以在同一个反应中区分不同的样本,同时接头中又包含通用引物,因此单个PCR反应可以扩增所有序列。

不同的技术平台所用的接头通常也是各不相同的。此外,华大独有的DNBSEQ核心技术基于DNA纳米球测序原理,构建的是DNA环形文库。

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  • 扩 增

Illumina平台是桥式PCR扩增(Bridge amplification),而华大平台是滚环扩增(Rolling circle amplification)。

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Illumina和BGISEQ-500平台的文库制备和测序示意图描述[1]


桥式PCR扩增:每一张测序芯片上会有多条泳道,在每条泳道上有共价键连接着无数个接头序列。接头序列有两种,它们与在测序片段两端加上的接头互补。当DNA文库流过每条泳道时,测序片段会被对应的接头捕获,片段两端被固定在芯片上,加入dNTP和聚合酶后进行PCR扩增,扩增过程中呈现拱桥状,因此被称为桥式PCR。经过多轮扩增后,DNA链的数量呈指数增长。

滚环扩增:华大测序平台选用的是“滚环扩增”的技术原理,利用具有链置换活性的DNA聚合酶催化的等温扩增反应,引物与环装模板匹配后在DNA聚合酶作用下沿环延伸并不断置换产生的延伸链。最后,形成DNA纳米球(DNB)。这个技术一直以原始模板进行扩增,所以无错误的累积,准确性更高。

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华大官网

  • 测 序

Illumina测序平台采用的是边合成边测序(SBS)的测序原理。华大平台测序采用的是cPAS(联合探针锚定聚合技术)。上面合成的DNB加载到芯片上,在DNB合成测序时,结合的核苷酸释放出的荧光被采集,从而读出DNA序列信息。

小结:这部分我们了解到Illumina和华大测序平台在原理上的差异。我们再看看它们的应用表现有什么差异。


NO2

应用表现

2021年生物分子资源设施协会(Association of Biomolecular Resource Facilities,ARBF)主导的研究成果在Nature Biotechnology(IF=68.164)发表题为“Performance assessment of DNA sequencing platforms in the ABRF Next-Generation Sequencing Study”的研究论文。在该研究中,研究员在人和细菌参考DNA样本上对多个测序平台(Illumina、ThermoFisher、GenapSys、Oxford Nanopore Technologies、)进行了评估,其中短读长平台上,Illumina的HiSeq 4000和X10提供了最一致和最高的基因组覆盖率,而华大的BGI/MGISEQ平台表现出最低的测序错误率。

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针对不同的应用方向,有不少文献将Illumina与华大平台做了对比。

1. 全基因组测序

2021年韩国团队以韩国人基因组为研究对象,对7个测序平台(BGISEQ-500、DNBSEQ-T7、HiSeq2000、HiSeq2500、HiSeq4000、HiSeqX10和NovaSeq6000)进行了测试,研究表明BGI和Illumina测序平台展现了相当水平的测序质量,一致性的覆盖率、GC覆盖率和变异准确性[2]


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2. 单细胞测序

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2019年,华大基因的研究团队在Genome Biology上发表了题为“Comparativeanalysis of sequencing technologies for single-cell transcriptomics”的研究论文。该研究针对单细胞转录组比较BGISEQ-500和 Illumina HiSeq平台,研究结果显示两个平台在基因表达定量方面具有相当的灵敏度和准确性,技术变异性较低。

3. 微生物宏基因组

2022年,法国巴黎-沙克雷大学在Sci Data发表研究论文“Benchmarking second and third-generation sequencing platforms for microbial metagenomics”,该研究在二代和三代测序平台(Illumina HiSeq 300,MGI DNBSEQ-G400和DNBSEQ-T7、ThermoFisher Ion GeneStudio S5 和Ion Proton P1,Oxford Nanopore Technologies MinION R9和Pacific Biosciences Sequel II)测试了微生物宏基因组检测,研究显示华大平台DNBSeq G400和T7提供了最低的in/dels率


除了全基因组测序、单细胞转录组和微生物宏基因组,其他诸如转录组[4]数据等都显示华大BGI平台具有与Illumina相当的测序水平。


NO3

爱基百客DNBSEQ-T7表现如何?


DNBSEQ-T7日产出高质量数据1-6T,广泛适用于全基因组测序、超深度外显子组测序、表观基因组测序、转录组测序和肿瘤Panel等大型测序项目。爱基百客引入DNBSEQ-T7测序仪后,表现稳定,客户满意度较高。那爱基百客DNBSEQ-T7表现到底如何?数据说话,选取植物样本测试,全基因组测序数据如下:

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小  结


今天我们从测序原理以及应用表现上比较华大BGI和Illumina测序平台的差异之处,总的来说,华大平台在多方面都拥有和Illumina测序平台相当的水平。

去年,美国法院认定,Illumina侵犯华大智造CGI两项DNA测序专利,应赔偿3.34亿美元。同时,三项Illumina认为CGI侵权的专利无效。在基因测序仪这个领域的专利纠纷,华大打出了漂亮一战。测序,不再是国外平台垄断的局面,国产测序仪正在崛起。


参考资料:


[1] KN Natarajan et al. Comparative analysis of sequencing technologies for single-cell transcriptomics. Genome Biol.2019. https://doi.org/10.1186/s13059-019-1676-5

[2] Kim HM., et al. Comparative analysis of 7 short-read sequencing platforms using the Korean Reference Genome: MGI and Illumina sequencing benchmark for whole-genome sequencing. GigaScience. 2021. 10: 1-9. doi: 10.1093/gigascience/giab014

[3] Foox, J., Tighe, S.W., Nicolet, C.M. et al. Performance assessment of DNA sequencing platforms in the ABRF Next-Generation Sequencing Study. Nat Biotechnol 39, 1129–1140 (2021). https://doi.org/10.1038/s41587-021-01049-5.

[4] Jeon SA., Park JL., Kim J., et al. Comparison of the MGISEQ-2000 and Illumina HiSeq 4000 sequencing platforms for RNA sequencing. Genomics Inform. 17(3):e32(2019). doi: 10.5808/GI.2019.17.3.e32.

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