请您介绍一下华大研究院的成立背景、宗旨是什么？其中，单细胞组学是怎么发展起来的？您选择从事与单细胞和时空组学相关研究的初衷是什么？
刘龙奇：华大研究院因参与“人类基因组计划”而诞生，逐步发展成为现在的华大集团（以下简称“华大”）。华大围绕“基因科技造福人类”为大目标，通过“研学产”全面贯穿的方式，形成了包括华大研究院、华大股份、华大智造、深圳国家基因库等各个体系的有机整体，全面打通了基因组学读、写、存技术的上游研发到产业转化，并在自主工具的基础上，推动人类生老病死的全面应用，造福人类健康。华大研究院作为华大的核心研发机构，致力于基因组和细胞组学读写存的上游新技术研发，精准医学和地球生物多样性等领域的研究以及相关的产业转化。单细胞组学技术是生命科学发展的必然，目前也是基因组领域最重要的底层工具之一。过去基因组技术主要基于组织水平的测序，难以回答组织内每个细胞是什么，细胞间有什么差异，以及这些细胞如何组织形成人体不同器官。从单细胞水平认识组织结构是必然趋势。华大做单细胞测序很早，第一个里程碑是2012年在Cell同期发表的2篇单细胞外显子组测序的文章。早期单细胞组学技术采用了单管或多孔芯片的方案，但受限于通量和成本，难以进行大规模应用，于是我们自主研发实现了高通量、便携式的单细胞组学工具DNBelab C4系统。从事单细胞领域研究的原因，也跟我过去的研究背景有关。我博士期间在中科院从事细胞命运调控的研究，虽然当时没有接触过组学，但一直梦想着未来能通过大规模计算的方法揭示细胞命运转变的规律。2014年读研期间读到两篇George Daley发在Cell上关于构建CellNet（细胞网络）的文章，基于组织的转录组数据来预测驱动细胞命运转变的因子，很受触动。我想，未来应该有更先进的技术来构建细胞图谱，精确理解细胞类型和计算细胞命运转变的路线。这也是我后来加入华大的原始初衷，想基于先进的基因组学技术来推动这个领域，华大在基因组学扎实的平台和团队基础，为新工具研发和大规模图谱绘制提供了重要保障。
在您看来，全球单细胞测序市场格局是怎样的？我国单细胞测序技术发展现状如何？面临着哪些挑战？
刘龙奇：单细胞技术属于底层技术，未来一定会成为生命科学领域常态化的工具，甚至成为应用于临床的基础工具。可以看到的是，国内外已经出现不少单细胞测序公司，这是非常好的现象，也表明过去一家独大的局面将不复存在。目前，我国单细胞测序技术保持着良好而持续的发展。在技术研发以及重要细胞图谱绘制方面发表了一系列重要里程碑文章，为单细胞领域作出过的重要贡献，但开展更多真正原创性的工作也是未来需要提升的地方。关于单细胞测序领域挑战，不可否认也很重要的一点是国际竞争很激烈，技术“卡脖子”问题日益显著。未来，要想打破“卡脖子”困局，促进我国单细胞组学的全面发展，我们还需要进一步研发和掌握核心技术，真正实现技术和工具的自主可控，充分做好迎接单细胞大数据时代到来的准备。这也是华大研究院一直在做的事情。
请您介绍一下华大研究院的单细胞技术布局，重点研发方向是什么？在这方面是否有已确定的成果/所取得的进展？
刘龙奇：我们在技术研发上主要有以下几个重点方向。一是更高通量。随着技术进步和领域的发展需要，我们相信单细胞数据体量将呈指数级增长，未来通量和成本的重要性越来越凸显。如何从现在的一次测几千个细胞提升相同的成本到一次测百万甚至千万个细胞将是大趋势；二是更多组学。由于细胞异质性由诸多因素决定，单一组学难以准确定义和解析细胞状态，如何高通量地从一个细胞中分析多个组学信息（如基因组、转录组、表观组、蛋白组等同时分析）会是未来单细胞技术发展的重要趋势；三是更高精确度，提高单细胞捕获效灵敏度，增加基因或其他组学信号捕获数目，实现单分子全转录本全读长测序等，最终实现更精确全面的转录组覆盖是重要发展趋势；四是空间分辨率，单细胞分辨率的基础上，空间分辨率的组学是领域发展的必然，单细胞和空间组技术的整合将全面提升我们认识组织异质性和细胞间互作。从2012年在Cell上发表两篇关于对上百个肿瘤单细胞基因组测序的文章，到2015年自主研发可以实现一次测上千个细胞的全长转录组技术MIRALCS，再到2019年研发出了第一个能够同时捕获单细胞内转录组和染色质结构的多组学测序技术scCAT-seq。今天，我们已经实现了高通量单细胞组学工具DNBelab C4，超高精度超大视场时空组学技术Stereo-seq，配合华大自主研发的DNBSEQ超高通量测序仪，我们已经打通了细胞组学从上游建库到下游测序的全面工具自主，并实现了产业化。从打破垄断和解决“卡脖子”问题，到今天我们实现了技术全球领先。仅在过去三个月内，我们的单细胞组学工具连续在Nature发表2篇文章，时空组学工具在Cell及系列以专辑形式发表4篇文章。目前，国内外上已经有许多顶级实验室和中心也已在全面使用我们的细胞组学工具体系。
单细胞技术在技术层面和应用场景层面有哪些发展趋势值得我们关注？您认为单细胞技术临床转化有哪些应用前景？
刘龙奇：单细胞未来必然将大规模应用于临床场景。可能包括以下几个方面：（1）临床血常规。现在医院的血常规检查非常简便，抽一管血，观察各种生化指标结果，但这是很粗糙的数据。所以，我设想可以基于大人群队列的单细胞测序研究，建立健康人群和患者的单细胞血液数据库，更精准了解人体健康状况。通过上述提到的更高通量、更多组学的测序技术，未来实现人人单细胞测序成为可能。通过大量健康与不同形状/疾病数据集的构建，以及结合单细胞交互式分析平台，我们将非常高效、便捷的分析中新检测样本的单细胞类型/比例及基因表达特征是否正常，从而预测健康和疾病状态。（2）组织来源稀有细胞监测。血液中可能包含一些重要的组织来源的细胞，如孕妇外周血包含有核红细胞，肿瘤患者外周血可能含有循环的肿瘤细胞，很多器官的病变可能也伴随细胞的脱落并进入血液循环中。但传统的分离手段，如依赖抗体的流式分选的方案检测灵敏度非常有限，并且带来很大的细胞损失。未来当单细胞技术能够实现单次实验100万、1000万细胞的规模，并且成本很低的情况下，稀有细胞的捕获将简单很多。这些细胞的捕获和下游的单组学分析将显著帮我们通过组织来源的细胞来进行精准疾病监测。（3）疾病（肿瘤）分型。我们还不是完全清楚肿瘤和各种复杂疾病其相关的细胞分型、微环境和复发转移机制是什么，病原体与人体之间又有什么样子平衡与稳态的关系，如何快速解析突发疾病的机制解析。单细胞技术将应用于更高分辨率的疾病精准分型、疾病发生发展、治疗与预后的监测等等。
基于单细胞测序，您主导完成了首个非人灵长类动物细胞图谱绘制，该研究有哪些积极意义？
刘龙奇：在这项研究中，我们选择了非人灵长类动物猕猴的细胞进行测序。因为猕猴和人的基因相似度高达93%，在人类疾病模型，特别是神经系统疾病模型上猴的优势是小鼠等其他实验动物所无法比拟的。基于此，我们从猕猴的45个器官中鉴定出113种主要的细胞类型和463种细胞亚型，绘制了全面系统的细胞图谱，且数据量可达百万级。通过这项研究，我们搭建了非人灵长类动物百万细胞图谱数据集，并免费对外开放。基于该数据集，我们将更好地理解细胞命运，病毒感染、人类疾病的发生发展。还可以探索人鼠猴这三个大家非常感兴趣的物种之间的差异和一致性。另外，该数据集也有助于靶向药物开发，进行大规模药物筛选，预测可能发生疾病的细胞类型。值得一提的是，最近有不少药厂向我们咨询这方面数据的合作。
您长期从事单细胞组学研究，曾主导研发国产高通量单细胞微流控系统DNBelab C4并完成产业转化。请介绍一下该系统，以及在产业转化过程中遇到的困难？是如何解决的？
刘龙奇：DNBelab C4是一种高通量单细胞微流控系统，搭配DNBSEQ系列测序平台，以及相关的单细胞分析软件构成，可实现便携式、即时化、一站式单细胞组学研究全流程。为了应对单细胞样本的复杂多样、样本质量经长途运输易下降，以及在处理样本的同时完成建库等难题，我们最终在多套方案中选择了这种负压驱动的微流控策略。在这套系统中，每一个液滴都有一个独立标签，但可以包裹多个微珠，以实现90%以上的液滴都是非空，最终实现高效细胞回收。在实现DNBelab C4系统产业化过程中，最大的困难主要来源于依赖进口的原材料。比如，当时我们的微珠由一家国外企业定制化生产。加上国际竞争和新冠疫情等带来的多重困难，我们再次走上了国产化的道路。
华大研究院在单细胞和时空组学领域均已取得行业瞩目的成就。请您介绍一下具体有哪些时空组学前沿技术，未来有哪些应用方向？时空组学与单细胞技术的联系与区别在哪里？
刘龙奇：华大研究院开发了基于DNA纳米球技术（DNB）的空间组学技术Stereo-seq，其分辨率可达500纳米，在约170cm²视场内实现100亿像素的超广角全景式全基因组范围基因表达成像。展望未来，我们认为单细胞和时空组学联合将推动生命科学和医学领域的全面发展。包括以下4大应用方向：一是重新理解器官结构，解析器官中的细胞类型以及空间定位；二是重新认识个体发育，解析一个受精卵或者一粒种子如何发育成一个完整个体；三是重新定义人类疾病，通过细胞和分子的空间定位，精细进行疾病分型；四是生命演化，从以往的基因层面转向细胞层面研究，将推动我们更好地认识器官的演化过程。相较于单细胞组学技术，空间组学最重要最关键的不同在于多了空间位置信息。单细胞测序可以准确告诉我们细胞的类型，对亚型进一步细分；空间组学则有较强的空间定位能力，精准投射出每一种细胞亚型。简而言之，未来两者结合运用是最好的策略。
在时空组学方面，您作为核心成员参与研发高分辨率大视场的空间组学技术Stereo-seq，相关研究发表已于近日发表在Cell等期刊上。请介绍一下该研究的重要成果及其意义？
刘龙奇：是的，应用Stereo-seq技术的研究文章发表在Cell系列期刊上。这些研究实际上是由我们主导发起、来自20个国家的90多位科学家共同参与的时空组学联盟（STOC）的首期突破性成果，也是我们自主研发的高分辨率大视场的空间组学技术Stereo-seq的首次报道。基于这项技术，我们发表了几篇很有意思的研究，绘制了包括小鼠、斑马鱼、果蝇和拟南芥在内的四种模式生物的时空图谱。具体来说，研究中首次构建了小鼠胚胎器官发生图谱，观察其9.5-16.5天的整过程，记录了每一天中胚胎的分子表达空间图谱集。同时，研究还发现了一些新的细胞类型，尤其是观测到了大脑前体细胞的分化路径。斑马鱼方面，我觉得最漂亮的尝试是将单细胞数据和空间数据做了大量的整合分析，真正首次在单细胞层面上将细胞亚型进行空间精准定位，重构了胚胎发育过程中细胞分化的时空轨迹。至于果蝇，其胚胎相对较小。所以，研究中将果蝇从胚胎晚期至幼虫阶段进行了全切片测序，由此得到了一个3D胚胎重建模型，相当于可以在3D水平上观测其分子表达的动态变化。与动物相比，拟南芥这种小型植物的独到优势在于具有细胞壁，易于染色定位。基于该信息，Stereo-seq能够精准找到细胞边界，进一步探究细胞类群的空间位置关系。我相信，这项具有单细胞分辨率的空间数据研究在植物领域可以说是一个重要里程碑，时空组学技术应用于植物同样具有广阔的前景。
2022年度华大研究院的科研方向有哪些？未来有哪些发展规划？
刘龙奇：其实华大研究院的研究大方向一直没有改变，主要围绕“基因科技造福人类”的大目标，以工程化的组织方式，全球合作，开展包括基因组读写存工具的研发、生老病死的精准医学以及生命演化研究。同时华大研究院十分注重产业转化并取得了非常好的成果。可以总结为五大方向。第一，“先利其器”。包括基因组学、细胞组学等技术和相关算法研发方面的“读”技术、DNA合成、基因编辑和细胞治疗等“写”技术、以及样本存储和数据存储等“存”的技术。第二，“生老病死”。 通过全方位全周期的多维组学测序，结合蛋白质组、代谢组和影像组学等贯穿组学技术，与现行医疗机制有机结合，研究防控出生缺陷、肿瘤和心脑血管疾病，远离传染感染疾病的精准检测，预防，干预等方法，从而显著提升人均预期寿命和大幅降低社会卫生总负担。第三，“万物生长”。集聚农业新资源物种，掌控农业物种生长规律，打造全球农业创新研究的数据中心。在未来农业、生态环境和超级物种领域，取得一批重大基础性原创性成果，突破一批核心关键技术，引领全球农业走向精准、可控、高效生产的新形态，为可持续发展提供可操作、可复制、可推广且高效的新模式和强有力的科技支撑。第四，“生命起源”。 华大的高通量低成本的测序平台已经为生物起源的研究带来显著成效，堪称生物领域“登月行动”的生物基因组计划（Earth Biogenome Project，EBP）允许我们有效地对所有已知物种进行基因组排序，并利用基因组学来帮助发现目前仍未被科学发现的剩余80%到90%的物种。进一步通过依托华大的单细胞多组学测序平台以及空间组学技术，我们有望对全球物种进行全景、全时的深入研究。利用单细胞和时空多组学技术建立地球物种从出生到死亡整个过程的多维组学图谱，从而理解生命演化和生命发育全过程。第五，“意识起源”。通过结合最前沿的单细胞和时空组学技术，神经影像技术等，获得脑细胞的时空多组学图谱，并建立具有进化层级关系的物种全脑时空精细图谱，回答脑科学中的一系列重大基础问题，并进行脑疾病相关的有效干预靶点和治疗策略的研发。具体信息还可以访问深圳华大生命科学研究院官网：https://research.genomics.cn/
