開發(fā)二代DNA測序技術(shù) 3位科學(xué)家榮獲“生命科學(xué)突破獎(jiǎng)”

完成“人類基因組計(jì)劃”所用的第一代基因測序技術(shù)，通量低、成本高、對人力需求大。而第二代基因測序技術(shù)可以一次性對幾百萬到幾十億條核酸分子進(jìn)行序列測定，終結(jié)了漫長、浩大的測序時(shí)代，給生命科學(xué)研究和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用帶來了全新突破。

在不久前公布的2022年度科學(xué)突破獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)名單中，開發(fā)二代DNA測序技術(shù)(NGS)的3位科學(xué)家榮獲“生命科學(xué)突破獎(jiǎng)”。歸功于高效率的二代DNA測序技術(shù)，科學(xué)家們得以在第一時(shí)間測定新冠病毒基因序列，為人類對抗新冠病毒贏得了時(shí)間。

自1977年第一代DNA測序技術(shù)(Sanger法)問世以來，基因測序技術(shù)經(jīng)歷了第二代高通量測序技術(shù)和第三代單分子測序技術(shù)的變革，正在沖刺第四代納米孔測序技術(shù)。目前，憑借高通量、大規(guī)模、并行測序以及速度快、成本低等顯著優(yōu)勢，高通量測序技術(shù)已成為全球主流基因測序技術(shù)。

那么，以第二代測序技術(shù)為主導(dǎo)的我國基因測序產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀如何?第三代、第四代基因測序技術(shù)距離商用化還有多遠(yuǎn)?對此，科技日報(bào)記者采訪了著名基因組學(xué)專家、中國基因組學(xué)研究主要奠基人、中國科學(xué)院大學(xué)教授于軍，以及我國主要基因測序儀生產(chǎn)商華大智造公司高級產(chǎn)品經(jīng)理張陸琪。

高通量測序?yàn)槿蛑髁骰驕y序技術(shù)

“生命密碼”是一門語言，解讀這門語言需要用到基因測序技術(shù)。“3位科學(xué)家在1998年發(fā)明的二代DNA測序技術(shù)，也被稱作大規(guī)模并行測序技術(shù)，其更為人熟知的名字是高通量測序技術(shù)。”張陸琪對科技日報(bào)記者說。自DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)于1953年被發(fā)現(xiàn)，生物學(xué)家便認(rèn)識到，DNA中的A、T、C、G堿基排列信息包含了生物的全部遺傳密碼。

對于基因測序技術(shù)的代際關(guān)系，于軍打比方說：“一代、二代、三代、四代測序儀并非相互取代的‘改朝換代’關(guān)系。就好比小客車、公交車、高鐵、飛機(jī)都是交通工具，但它們會同時(shí)存在，以滿足人們不同的出行需求。”

作為全球主流基因測序技術(shù)，高通量測序技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括無創(chuàng)產(chǎn)檢(NIPT)、腫瘤、感染和胚胎植入前遺傳學(xué)診斷和篩查等。據(jù)張陸琪介紹，高通量測序技術(shù)包含3種主流方式，分別為橋式PCR擴(kuò)增與邊合成邊測序結(jié)合的測序技術(shù)、乳液PCR與半導(dǎo)體合成測序技術(shù)、以華大智造為代表的DNA納米球與聯(lián)合探針錨定聚合技術(shù)結(jié)合的測序技術(shù)。

“以華大智造高通量測序儀的測序過程為例，首先要建庫，將待測的DNA碎片化，并將接頭添加到DNA片段兩端，環(huán)化后得到單鏈環(huán)狀DNA;其次是擴(kuò)增，通過單鏈環(huán)狀DNA的滾環(huán)擴(kuò)增，將DNA待測序列進(jìn)行無損復(fù)制并形成DNA納米球;然后是測序，將DNA納米球固定在陣列化的測序芯片上，通過每輪與特定的酶和熒光探針反應(yīng)，可發(fā)出不同的熒光信號并被高分辨率成像系統(tǒng)采集和識別，從而獲得單個(gè)堿基序列。重復(fù)以上過程數(shù)百次，可獲得大量DNA片段的堿基序列;最后，通過生物信息處理去重和拼接，獲得待測DNA片段的序列。”張陸琪說。

成本下降促進(jìn)了二代測序技術(shù)的普及

基因測序儀是生命科技領(lǐng)域重要的高端設(shè)備和底層工具?；驕y序儀生產(chǎn)商作為基因測序行業(yè)的上游，為行業(yè)中下游機(jī)構(gòu)提供核心工具，掌握著基因檢測整個(gè)行業(yè)命脈。

根據(jù)《全球及中國生命科學(xué)綜合解決方案行業(yè)報(bào)告》數(shù)據(jù)，全球基因測序儀及耗材市場在過去數(shù)年間保持了兩位數(shù)的增長。預(yù)計(jì)到2030年，全球基因測序儀及耗材市場將達(dá)到245.8億美元的規(guī)模，中國基因測序儀及耗材市場將達(dá)到43.4億美元的規(guī)模。

“基因測序行業(yè)上游涉及復(fù)雜的多學(xué)科交叉及大量精密儀器制造和組裝，源頭性技術(shù)及完整的專利布局會構(gòu)筑較高的技術(shù)壁壘。”張陸琪解釋道，高通量測序儀是集光學(xué)、機(jī)械、電子、流體、軟件、算法等多個(gè)交叉學(xué)科于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，既對單項(xiàng)技術(shù)有很高的要求，也對架構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成有很高的要求。因此在她看來，高技術(shù)壁壘和長期高資金投入，使部分外國企業(yè)曾壟斷基因測序儀的研發(fā)和生產(chǎn)，國內(nèi)測序儀研發(fā)領(lǐng)域一度存在空白。

實(shí)現(xiàn)基因測序相關(guān)設(shè)備及試劑耗材的國產(chǎn)自主可控，轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2013年。于軍介紹說，這一年，華大集團(tuán)收購了美國基因測序儀制造商CG公司，通過大量的研發(fā)投入，華大集團(tuán)將原本極為昂貴且形如“黑鐵塔”的大型基因測序儀原型機(jī)，變成了多款經(jīng)濟(jì)可靠且擁有更高性能的桌面型設(shè)備，打破了國外壟斷。“不過，基因測序行業(yè)上游集中度高，國外廠商搶先占領(lǐng)的市場份額較大，國產(chǎn)基因測序設(shè)備制造商存在較大競爭壓力。”他直言。

目前行業(yè)上游的測序儀生產(chǎn)商主要被Illumina、ThermoFisher、羅氏等跨國巨頭壟斷，國內(nèi)基因檢測行業(yè)頭部公司如華大基因、貝瑞基因也有設(shè)備和試劑生產(chǎn)。中游為面向終端用戶的基因檢測服務(wù)商，其購買上游公司生產(chǎn)的測序儀器、配套試劑等，為用戶提供基因檢測服務(wù)，從中收取服務(wù)費(fèi)。下游則為基因檢測服務(wù)使用者，包括醫(yī)療機(jī)構(gòu)、科研機(jī)構(gòu)、制藥公司和個(gè)人用戶等。

技術(shù)的進(jìn)步促成了測序成本的下降。華大集團(tuán)CEO尹燁曾指出，1990年開始的“人類基因組計(jì)劃”，來自6個(gè)國家的約8000個(gè)科研工作者用時(shí)13年，才完成一個(gè)人的基因組測序，耗資38億美元。而今天，在中國，一天就可以為幾百人做基因組測序，每人只需要約500美金。“測序成本下降看似降低了產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模，實(shí)則促進(jìn)了高通量測序技術(shù)的普及，從而為基因測序行業(yè)快速增長帶來機(jī)遇。”于軍說。

張陸琪也認(rèn)為，成本下降將催生更多的行業(yè)中下游應(yīng)用場景，不斷擴(kuò)大市場規(guī)模。此外，精準(zhǔn)醫(yī)療時(shí)代的到來以及腫瘤基因測序服務(wù)需求高速增長，將進(jìn)一步推動行業(yè)中下游的發(fā)展。隨著中游測序服務(wù)行業(yè)的快速發(fā)展，測序服務(wù)提供商對測序儀器及試劑耗材的需求也日益提升，有利于擴(kuò)大行業(yè)上游的市場空間。

第三、四代基因測序技術(shù)聚焦單細(xì)胞

于軍指出，完成“人類基因組計(jì)劃”所用的第一代基因測序技術(shù)，通量低、成本高、對人力需求大。隨著“人類基因組計(jì)劃”的完成，測序向著更大樣本量、更多數(shù)據(jù)量、更多物種的方向迅速發(fā)展。高通量測序技術(shù)可以一次性對幾百萬到幾十億條核酸分子進(jìn)行序列測定，終結(jié)了漫長、浩大的測序“工程時(shí)代”，給生命科學(xué)相關(guān)研究領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用帶來了全新突破。“英國、美國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)啟動百萬人量級的全民基因組測序工程，而千萬到億量級的基因組序列檢測也已具備可操作性。”他說。

盡管如此，為了完成單分子測序和RNA的直接測序，我們?nèi)孕枰邪l(fā)第三代測序儀和第四代測序儀。

關(guān)于第三代基因測序技術(shù)，尹燁曾撰文指出，要了解生命活動的本質(zhì)，就需要將測序的“分辨率”提高到“單細(xì)胞”水平。他認(rèn)為，現(xiàn)在大部分的基因測序，還是以某一塊組織或者血液中成千上萬細(xì)胞的平均表達(dá)狀態(tài)為研究對象，分辨率較低。事實(shí)上，經(jīng)過10余年的發(fā)展，基于單細(xì)胞的基因表達(dá)調(diào)控研究正逐漸成為主流，有些技術(shù)甚至已經(jīng)開始探索真正的“時(shí)空單細(xì)胞測序”，即以單個(gè)細(xì)胞為單元，在時(shí)間(細(xì)胞周期)和空間(器官分布)兩個(gè)維度進(jìn)行基因測序研究，記錄細(xì)胞在原組織中基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制細(xì)節(jié)。

于軍解釋說，第四代測序儀能夠在單細(xì)胞水平和單分子分辨率下直接測定RNA分子的序列，同時(shí)識別序列中非直接轉(zhuǎn)錄生成的修飾核苷酸。因此，第四代RNA直測技術(shù)必須同時(shí)利用納米孔技術(shù)和片上拉曼光譜技術(shù)，具有很大的挑戰(zhàn)性。

于軍補(bǔ)充道，如果把第四代基因測序儀與一種交通工具做比較的話，那它就是“上天的火箭”。“第四代測序儀的特點(diǎn)是單分子測序、測序速度快、測序數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)監(jiān)控、方便攜帶等，這些優(yōu)點(diǎn)讓其成為各國競相研發(fā)的熱點(diǎn)，但在準(zhǔn)確率方面，第四代基因測序儀還有待提高。”他說。(唐芳)

關(guān)鍵詞： 二代 DNA 測序技術(shù) 生命科學(xué)