科技日報記者 唐 芳

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

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？對此，科技日報記者采訪了著名基因組學專家、中國基因組學研究主要奠基人、中國科學院大學教授于軍，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。

高通量測序為全球主流基因測序技術(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)?！睆堦戠鲗萍既請笥浾哒f。自DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)于1953年被發(fā)現(xiàn)，生物學家便認識到，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、飛機都是交通工具，但它們會同時存在，以滿足人們不同的出行需求?！?/p>

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擴增與邊合成邊測序結(jié)合的測序技術(shù)、乳液PCR與半導體合成測序技術(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；其次是擴增，通過單鏈環(huán)狀DNA的滾環(huán)擴增，將DNA待測序列進行無損復制并形成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，從而獲得單個堿基序列。重復以上過程數(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?！睆堦戠髡f。

成本下降促進了二代測序技術(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)中下游機構(gòu)提供核心工具，掌握著基因檢測整個行業(yè)命脈。

根據(jù)《全球及中國生命科學綜合解決方案行業(yè)報告》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。預計到2030年，全球基因測序儀及耗材市場將達到245.8億美元的規(guī)模，中國基因測序儀及耗材市場將達到43.4億美元的規(guī)模。

“基因測序行業(yè)上游涉及復雜的多學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?！睆堦戠鹘忉尩溃咄繙y序儀是集光學、機械、電子、流體、軟件、算法等多個交叉學科于一體的復雜系統(tǒng)，既對單項技術(shù)有很高的要求，也對架構(gòu)設(shè)計和系統(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)機出現(xiàn)在2013年。于軍介紹說，這一年，華大集團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，華大集團將原本極為昂貴且形如“黑鐵塔”的大型基因測序儀原型機，變成了多款經(jīng)濟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?！彼毖浴?/p>

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。下游則為基因檢測服務(wù)使用者，包括醫(yī)療機構(gòu)、科研機構(gòu)、制藥公司和個人用戶等。

技術(shù)的進步促成了測序成本的下降。華大集團CEO尹燁曾指出，1990年開始的“人類基因組計劃”，來自6個國家的約8000個科研工作者用時13年，才完成一個人的基因組測序，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?！皽y序成本下降看似降低了產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模，實則促進了高通量測序技術(shù)的普及，從而為基因測序行業(yè)快速增長帶來機遇?！庇谲娬f。

張陸琪也認為，成本下降將催生更多的行業(yè)中下游應(yīng)用場景，不斷擴大市場規(guī)模。此外，精準醫(yī)療時代的到來以及腫瘤基因測序服務(wù)需求高速增長，將進一步推動行業(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)聚焦單細胞

于軍指出，完成“人類基因組計劃”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行序列測定，終結(jié)了漫長、浩大的測序時代，給生命科學相關(guān)研究領(lǐng)域和生物醫(yī)學應(yīng)用帶來了全新突破。“英國、美國等發(fā)達國家已經(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?！彼f。

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“單細胞”水平。他認為，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胞的平均表達狀態(tài)為研究對象，分辨率較低。事實上，經(jīng)過10余年的發(fā)展，基于單細胞的基因表達調(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“時空單細胞測序”，即以單個細胞為單元，在時間（細胞周期）和空間（器官分布）兩個維度進行基因測序研究，記錄細胞在原組織中基因表達調(diào)控的機制細節(jié)。

于軍解釋說，第四代測序儀能夠在單細胞水平和單分子分辨率下直接測定RNA分子的序列，同時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”?！暗谒拇鷾y序儀的特點是單分子測序、測序速度快、測序數(shù)據(jù)能實時監(jiān)控、方便攜帶等，這些優(yōu)點讓其成為各國競相研發(fā)的熱點，但在準確率方面，第四代基因測序儀還有待提高?！彼f。

關(guān)鍵詞： 破譯 生命 密碼 第二