基因測序技術破譯生命密碼，讓基因“說話”

　　完成“人類基因組計劃”所用的第一代基因測序技術，通量低、成本高、對人力需求大。而第二代基因測序技術可以一次性對幾百萬到幾十億條核酸分子進行序列測定，終結了漫長、浩大的測序時代，給生命科學研究和生物醫學應用帶來了全新突破。

　　在不久前公布的2022年度科學突破獎獲獎名單中，開發二代DNA測序技術（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，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（Sanger法）問世以來，基因測序技術經歷了第二代高通量測序技術和第三代單分子測序技術的變革，正在沖刺第四代納米孔測序技術。目前，憑借高通量、大規模、并行測序以及速度快、成本低等顯著優勢，高通量測序技術已成為全球主流基因測序技術。

　　那么，以第二代測序技術為主導的我國基因測序產業現狀如何？第三代、第四代基因測序技術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商華大智造公司高級產品經理張陸琪。

　　高通量測序為全球主流基因測序技術

　　“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。“3位科學家在1998年發明的二代DNA測序技術，也被稱作大規模并行測序技術，其更為人熟知的名字是高通量測序技術。”張陸琪對科技日報記者說。自DNA雙螺旋結構于1953年被發現，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。

　　對于基因測序技術的代際關系，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。”

　　作為全球主流基因測序技術，高通量測序技術的主要應用領域包括無創產檢（NIPT）、腫瘤、感染和胚胎植入前遺傳學診斷和篩查等。據張陸琪介紹，高通量測序技術包含3種主流方式，分別為橋式PCR擴增與邊合成邊測序結合的測序技術、乳液PCR與半導體合成測序技術、以華大智造為代表的DNA納米球與聯合探針錨定聚合技術結合的測序技術。

　　“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，環化后得到單鏈環狀DNA；其次是擴增，通過單鏈環狀DNA的滾環擴增，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，可發出不同的熒光信號并被高分辨率成像系統采集和識別，從而獲得單個堿基序列。重復以上過程數百次，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。

　　成本下降促進了二代測序技術的普及

　　基因測序儀是生命科技領域重要的高端設備和底層工具。基因測序儀生產商作為基因測序行業的上游，為行業中下游機構提供核心工具，掌握著基因檢測整個行業命脈。

　　根據《全球及中國生命科學綜合解決方案行業報告》數據，全球基因測序儀及耗材市場在過去數年間保持了兩位數的增長。預計到2030年，全球基因測序儀及耗材市場將達到245.8億美元的規模，中國基因測序儀及耗材市場將達到43.4億美元的規模。

　　“基因測序行業上游涉及復雜的多學科交叉及大量精密儀器制造和組裝，源頭性技術及完整的ZL布局會構筑較高的技術壁壘。”張陸琪解釋道，高通量測序儀是集光學、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，既對單項技術有很高的要求，也對架構設計和系統集成有很高的要求。因此在她看來，高技術壁壘和長期高資金投入，使部分外國企業曾壟斷基因測序儀的研發和生產，國內測序儀研發領域一度存在空白。

　　實現基因測序相關設備及試劑耗材的國產自主可控，轉機出現在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，變成了多款經濟可靠且擁有更高性能的桌面型設備，打破了國外壟斷。“不過，基因測序行業上游集中度高，國外廠商搶先占領的市場份額較大，國產基因測序設備制造商存在較大競爭壓力。”他直言。

　　目前行業上游的測序儀生產商主要被Illumina、ThermoFisher、羅氏等跨國巨頭壟斷，國內基因檢測行業頭部公司如華大基因、貝瑞基因也有設備和試劑生產。中游為面向終端用戶的基因檢測服務商，其購買上游公司生產的測序儀器、配套試劑等，為用戶提供基因檢測服務，從中收取服務費。下游則為基因檢測服務使用者，包括醫療機構、科研機構、制藥公司和個人用戶等。

　　技術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。“測序成本下降看似降低了產業市場規模，實則促進了高通量測序技術的普及，從而為基因測序行業快速增長帶來機遇。”于軍說。

　　張陸琪也認為，成本下降將催生更多的行業中下游應用場景，不斷擴大市場規模。此外，精準醫療時代的到來以及腫瘤基因測序服務需求高速增長，將進一步推動行業中下游的發展。隨著中游測序服務行業的快速發展，測序服務提供商對測序儀器及試劑耗材的需求也日益提升，有利于擴大行業上游的市場空間。

　　第三、四代基因測序技術聚焦單細胞

　　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，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、更多數據量、更多物種的方向迅速發展。高通量測序技術可以一次性對幾百萬到幾十億條核酸分子進行序列測定，終結了漫長、浩大的測序“工程時代”，給生命科學相關研究領域和生物醫學應用帶來了全新突破。“英國、美國等發達國家已經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，我們仍需要研發第三代測序儀和第四代測序儀。

　　關于第三代基因測序技術，尹燁曾撰文指出，要了解生命活動的本質，就需要將測序的“分辨率”提高到“單細胞”水平。他認為，現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為研究對象，分辨率較低。事實上，經過10余年的發展，基于單細胞的基因表達調控研究正逐漸成為主流，有些技術甚至已經開始探索真正的“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控的機制細節。

　　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錄生成的修飾核苷酸。因此，第四代RNA直測技術必須同時利用納米孔技術和片上拉曼光譜技術，具有很大的挑戰性。

　　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”。“第四代測序儀的特點是單分子測序、測序速度快、測序數據能實時監控、方便攜帶等，這些優點讓其成為各國競相研發的熱點，但在準確率方面，第四代基因測序儀還有待提高。”他說。