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破译生命密码,让基因“说话”

科技快讯 时间:2021-10-14 04:00:06

完成“人类基因组计划”所用的第一代基因测序技术,通量低、成本高、对人力需求大。而第二代基因测序技术可以一次性对几百万到几十亿条核酸分子进行序列测定,终结了漫长、浩大的测序时代,给生命科学研究和生物医学应用带来了全新突破。

在不久前公布的2022年度科学突破奖获奖名单中,开发二代DNA测序技术(NGS)的3位科学家荣获“生命科学突破奖”。归功于高效率的二代DNA测序技术,科学家们得以在第一时间测定新冠病毒基因序列,为人类对抗新冠病毒赢得了时间。

自1977年第一代DNA测序技术(Sanger法)问世以来,基因测序技术经历了第二代高通量测序技术和第三代单分子测序技术的变革,正在冲刺第四代纳米孔测序技术。目前,凭借高通量、大规模、并行测序以及速度快、成本低等显著优势,高通量测序技术已成为全球主流基因测序技术。

那么,以第二代测序技术为主导的我国基因测序产业现状如何?第三代、第四代基因测序技术距离商用化还有多远?对此,科技日报记者采访了著名基因组学专家、中国基因组学研究主要奠基人、中国科学院大学教授于军,以及我国主要基因测序仪生产商华大智造公司高级产品经理张陆琪。

高通量测序为全球主流基因测序技术

“生命密码”是一门语言,解读这门语言需要用到基因测序技术。“3位科学家在1998年发明的二代DNA测序技术,也被称作大规模并行测序技术,其更为人熟知的名字是高通量测序技术。”张陆琪对科技日报记者说。自DNA双螺旋结构于1953年被发现,生物学家便认识到,DNA中的A、T、C、G碱基排列信息包含了生物的全部遗传密码。

对于基因测序技术的代际关系,于军打比方说:“一代、二代、三代、四代测序仪并非相互取代的‘改朝换代’关系。就好比小客车、公交车、高铁、飞机都是交通工具,但它们会同时存在,以满足人们不同的出行需求。”

作为全球主流基因测序技术,高通量测序技术的主要应用领域包括无创产检(NIPT)、肿瘤、感染和胚胎植入前遗传学诊断和筛查等。据张陆琪介绍,高通量测序技术包含3种主流方式,分别为桥式PCR扩增与边合成边测序结合的测序技术、乳液PCR与半导体合成测序技术、以华大智造为代表的DNA纳米球与联合探针锚定聚合技术结合的测序技术。

“以华大智造高通量测序仪的测序过程为例,首先要建库,将待测的DNA碎片化,并将接头添加到DNA片段两端,环化后得到单链环状DNA;其次是扩增,通过单链环状DNA的滚环扩增,将DNA待测序列进行无损复制并形成DNA纳米球;然后是测序,将DNA纳米球固定在阵列化的测序芯片上,通过每轮与特定的酶和荧光探针反应,可发出不同的荧光信号并被高分辨率成像系统采集和识别,从而获得单个碱基序列。重复以上过程数百次,可获得大量DNA片段的碱基序列;最后,通过生物信息处理去重和拼接,获得待测DNA片段的序列。”张陆琪说。

成本下降促进了二代测序技术的普及

基因测序仪是生命科技领域重要的高端设备和底层工具。基因测序仪生产商作为基因测序行业的上游,为行业中下游机构提供核心工具,掌握着基因检测整个行业命脉。

根据《全球及中国生命科学综合解决方案行业报告》数据,全球基因测序仪及耗材市场在过去数年间保持了两位数的增长。预计到2030年,全球基因测序仪及耗材市场将达到245.8亿美元的规模,中国基因测序仪及耗材市场将达到43.4亿美元的规模。

“基因测序行业上游涉及复杂的多学科交叉及大量精密仪器制造和组装,源头性技术及完整的专利布局会构筑较高的技术壁垒。”张陆琪解释道,高通量测序仪是集光学、机械、电子、流体、软件、算法等多个交叉学科于一体的复杂系统,既对单项技术有很高的要求,也对架构设计和系统集成有很高的要求。因此在她看来,高技术壁垒和长期高资金投入,使部分外国企业曾垄断基因测序仪的研发和生产,国内测序仪研发领域一度存在空白。

实现基因测序相关设备及试剂耗材的国产自主可控,转机出现在2013年。于军介绍说,这一年,华大集团收购了美国基因测序仪制造商CG公司,通过大量的研发投入,华大集团将原本极为昂贵且形如“黑铁塔”的大型基因测序仪原型机,变成了多款经济可靠且拥有更高性能的桌面型设备,打破了国外垄断。“不过,基因测序行业上游集中度高,国外厂商抢先占领的市场份额较大,国产基因测序设备制造商存在较大竞争压力。”他直言。

目前行业上游的测序仪生产商主要被Illumina、ThermoFisher、罗氏等跨国巨头垄断,国内基因检测行业头部公司如华大基因、贝瑞基因也有设备和试剂生产。中游为面向终端用户的基因检测服务商,其购买上游公司生产的测序仪器、配套试剂等,为用户提供基因检测服务,从中收取服务费。下游则为基因检测服务使用者,包括医疗机构、科研机构、制药公司和个人用户等。

技术的进步促成了测序成本的下降。华大集团CEO尹烨曾指出,1990年开始的“人类基因组计划”,来自6个国家的约8000个科研工作者用时13年,才完成一个人的基因组测序,耗资38亿美元。而今天,在中国,一天就可以为几百人做基因组测序,每人只需要约500美金。“测序成本下降看似降低了产业市场规模,实则促进了高通量测序技术的普及,从而为基因测序行业快速增长带来机遇。”于军说。

张陆琪也认为,成本下降将催生更多的行业中下游应用场景,不断扩大市场规模。此外,精准医疗时代的到来以及肿瘤基因测序服务需求高速增长,将进一步推动行业中下游的发展。随着中游测序服务行业的快速发展,测序服务提供商对测序仪器及试剂耗材的需求也日益提升,有利于扩大行业上游的市场空间。

第三、四代基因测序技术聚焦单细胞

于军指出,完成“人类基因组计划”所用的第一代基因测序技术,通量低、成本高、对人力需求大。随着“人类基因组计划”的完成,测序向着更大样本量、更多数据量、更多物种的方向迅速发展。高通量测序技术可以一次性对几百万到几十亿条核酸分子进行序列测定,终结了漫长、浩大的测序“工程时代”,给生命科学相关研究领域和生物医学应用带来了全新突破。“英国、美国等发达国家已经启动百万人量级的全民基因组测序工程,而千万到亿量级的基因组序列检测也已具备可操作性。”他说。

尽管如此,为了完成单分子测序和RNA的直接测序,我们仍需要研发第三代测序仪和第四代测序仪。

关于第三代基因测序技术,尹烨曾撰文指出,要了解生命活动的本质,就需要将测序的“分辨率”提高到“单细胞”水平。他认为,现在大部分的基因测序,还是以某一块组织或者血液中成千上万细胞的平均表达状态为研究对象,分辨率较低。事实上,经过10余年的发展,基于单细胞的基因表达调控研究正逐渐成为主流,有些技术甚至已经开始探索真正的“时空单细胞测序”,即以单个细胞为单元,在时间(细胞周期)和空间(器官分布)两个维度进行基因测序研究,记录细胞在原组织中基因表达调控的机制细节。

于军解释说,第四代测序仪能够在单细胞水平和单分子分辨率下直接测定RNA分子的序列,同时识别序列中非直接转录生成的修饰核苷酸。因此,第四代RNA直测技术必须同时利用纳米孔技术和片上拉曼光谱技术,具有很大的挑战性。

于军补充道,如果把第四代基因测序仪与一种交通工具做比较的话,那它就是“上天的火箭”。“第四代测序仪的特点是单分子测序、测序速度快、测序数据能实时监控、方便携带等,这些优点让其成为各国竞相研发的热点,但在准确率方面,第四代基因测序仪还有待提高。”他说。(记者 唐 芳)

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