新一代測序技術進入快車道？
新一代測序技術即將加速前進？
今天我為大家分享一篇非常值得一讀的“基因測序技術行業新聞報道”，該報道於2019年1月初刊登在《Genetic Engineering& Biotechnology News》上。文章作者為Julianna LeMieux，網站網址：
http：//www。
genengnews。com
。題目為“
All Aboard the Genome Express
Is a new generation of DNA sequencing technology about to hit the fast track”
文章記錄分享了數十位行業專家學者的觀點看法，今天我將報道中的核心內容翻譯成中文，並對其中部分內容進行一定拓展（藍色字型），既保證文章時效性同時方便大家交流學習。
該報道內容主要圍繞以下幾個方面展開：
那些曾經或現在致力於實現“100美元基因組”的新老玩家們
分子電子學測序技術能顛覆整個測序行業嗎？這個領域有哪些玩家？
基因測序行業技術的重大革新一定是依託新的測序技術嗎？
正文開始
創立於2015年的Roswell Biotechnology公司的總部位於聖地亞哥，從公司總部的建築風格來看它與周圍的鄰居並沒有什麼兩樣，而你一旦跨入Roswell的大門，你將被它的壯志雄心所震撼。大廳牆面相框中舊報紙上的頭條新聞給每一位參觀者講述了Roswell名字的由來，Roswell這個美國新墨西哥州的小鎮因為“1947年的UFO事件”名震四方。
所以這家取名為Roswell的生物技術公司也將自己比做測序世界的UFO，代表它擁有遠高於“一切地球文明”的顛覆式測序技術。
“顛覆”，Roswell的聯合創始人兼CEO Paul Mola經常將這個詞掛在嘴邊，他相信Roswell的測序技術將顛覆整個測序行業，大大降低全基因組測序的價格。
說到全基因組測序的價格，2014年illumina公司釋出的HiSeqX Ten測序系統首次將人全基因組重測序的服務價格降到了1000美元，這讓整個行業都看到了100美元全基因組時代的曙光。
Roswell將自己的測序技術稱之為Electronic Nano-Device Sequencing，簡稱“ENDSeq”（翻譯成中文可以叫“測序終結者”），他們的CSO Barry Merriman博士認為ENDSeq技術就是實現100美元甚至是10美元人全基因組測序的“行業之光”。
暫且不說10美元，100美元基因組的大目標被illumina和BGI時常掛在嘴邊，2017年illumina釋出了全新的NovaSeq測序系統，CEO Francis DeSouza提出了“One Day，$100”的口號，但今天來看One Day太遙遠，2020年隨著illumina上調了中國市場終端試劑價格，這個目標反而離我們更遠一步了。
相比之下，BGI更實際一些，在100到1000美元中間設定了2個“小目標”，2016年向市場推出600美元全基因組產品後又提出了儘快實現300美元目標。
DNBSEQ-TX 示意圖
不過最近MGI華大智造（華大集團儀器裝置公司）還是再次給出了100美元基因組可能的實現路徑，在2020年2月份的AGBT基因組生物學技術進展大會上，MGI的CSO Rade Drmanac博士 公佈了他們最新的超通量測序系統DNBSEQ-TX（X是指機器單次執行可以產生的最大資料通量，單位Tb），該測序系統已經在深圳國家基因庫運行了3年時間，目前最新版的機型每次可最多同時執行8張晶片，在3。5天的時間內產出約70Tb資料，那麼如何實現100美元呢？Rade Drmanac博士解釋到理論上這款超通量測序儀配合樣本自動化處理系統可以實現每年10萬人全基因組的測序工作，當有足夠樣本量支撐時，平攤到單個樣本上的綜合成本就有可能實現100美元基因組的大目標。
在該報道中，MGI的Rade Drmanac博士還談到了公司未來5到10年發展的主要方向——“Scale，Scale，Scale”，他們希望將測序技術應用到更多領域，構建一個人人基因組時代，讓每一個人都可以享受到這項技術帶來的紅利，自從2013年華大集團收購Complete Genomics（下文簡稱“CG”）以來，以DNBSEQTM為核心技術的測序系統逐漸替代了原有的illumina平臺成為了華大集團最主要的基因測序生產力工具，CG公司 COO 張永衛博士堅信DNBSEQ技術將在資料生產效率、測序讀長、測序精確度、測序成本四個最主要的技術指標上持續領先，並在未來5到10年內讓100美元基因組成為現實。
不過針對於以DNBSEQ技術為核心的MGI測序系統，SanDieg
http：//
Omics。com
和線上測序市場AllSeq的創始人Shawn Baker博士（同時也是我現在的同事）認為：“該技術並沒有太大的創新，把它簡單的看作一個高性價比版本的“illumina測序儀”更合適一些，但如果MGI後續在產品最佳化和市場推廣上做的更好一些，那無疑會給illumina造成最大的壓力”。
同時Shawn Baker博士作為illumina最早期的員工之一，他也非常關注MGI進入美國市場後將給整個市場帶來哪些變化，他預測MGI將在美國提供一個非常有競爭力的價格（maybe even 50% cheaper than illumina）從而迫使illumina降價（當然這對於超高毛利潤的illumina來說並不是難事，只是illumina信奉營銷法則是“Never compete on price”）。
2020年，MGI宣佈將在Q2向美國市場推出DNBSEQ家族G系列測序儀，Q3推出T系列測序儀，在測序試劑方面，美國市場將採用全新的CoolMPS測序試劑盒。
除了MGI，Shawn還提到了Oxford Nanopore（下文簡稱“ONT”）認為ONT也將成為測序價格進一步下降的主要推動力，並且擁有提供比illumina更低成本測序服務的潛力，不過ONT還是要儘快提高測序精確度，Root（一家做骨髓移植配型的公司）創始人Nathaniel Pearson教授將ONT的測序技術形象的描述為“奇妙又嘈雜的朋克搖滾”。
話題回到Roswell，來自梅奧診所檢驗醫學與病理學教授 David Smith說到：“對於像Roswell這類的測序技術初創公司面臨的最大挑戰並不是illumina在市場上絕對的統治地位，而是時間，時間才是他們最大的敵人。一項創新的測序技術從原理驗證到商業化成功往往需要5到10年的時間，但在接下來的5年時間內，全球預計將至少有5000萬人全基因組資訊被解碼，而這項工作大機率將被illumina和MGI這樣的技術成熟的公司瓜分。
雖然Roswell目前還未公開任何可供參考的測試資料，不過Paul仍然堅信他們可以“顛覆”整個行業，他反覆強調ENDSeq技術將在成本、讀長、鹼基修飾讀取等方面全面超越對手，但這類的承諾總有讓人有似曾相識的感覺，畢竟在我們基因測序領域“總想搞個大新聞”不是什麼新鮮事，例如2008年的Pacbio對於即將完成商業化的SMRT測序技術的描述還是下圖的風格
Pacbio當年的好言壯志
那麼Roswell口中“顛覆”行業的技術到底是什麼呢？我透過Roswell的專利圖簡單為大家解釋一下。
如上圖所示，生物分子感測器由一個連線兩端金屬電極的dsDNA 分子橋（分子橋也可以是肽鏈等生物聚合物）和一個透過Base-Biotin-SA連線到分子橋上的DNA聚合酶組成，其與兩端電極進行整合連線組成分子電路，在兩端金屬電極施加一個小於10V電壓使得電流持續透過整個分子感測器，當分子感測器中的聚合酶根據待測模板合成互補鏈時，因為聚合酶的空間構象發生變化繼而導致了流經整個分子感測器的電流發生了波動，透過分子電路的訊號轉導系統記錄這種電流變化，後期經過計算機演算法對電流變化的pattern進行解碼就得到了序列資訊。
下圖展示的就是用來製作Roswell分子電路感測器的晶片，目前該晶片的生產由我國臺灣省的臺積電代工（我們智慧手機中使用的高通驍龍、海思麒麟、蘋果A系的Soc大部分也由臺積電代工完成）
其實將分子電子學技術（Molecular electronic technology）應用到基因測序領域的技術發明人並不是Roswell公司，但相對於這項技術真正的發明人和其技術商業化合作夥伴，Roswell確實顯得高調的多。
2012年，加州大學歐文分校的Philip Collins教授在《Science》上發表了一篇名為《Single Molecule Lysozyme Dynamics Monitored by an Electronic Circuit》的論文，首次公開了一種使用分子電子學技術監測單分子溶菌酶的分子動力學的方法，三年後該團隊又證明該技術同樣可以用於DNA測序領域。Collins明白，如果想要推動該測序技術走出實驗室完成商業化，那麼就必須與擁有強大的測序技術商業化能力的公司一起合作完成，誰有這種能力呢？毫無疑問illumina是最佳選擇。
Collins的團隊與illumina在分子電子學技術上開展合作已經有6年時間了，他同樣對於該技術充滿信心並認為產品的商業化並沒有技術障礙，但對於何時可以完成商業化推向市場的時間並沒有明確的預期，他提到了Nanopore測序技術從原理驗證到實現商業化大概用了20年時間，所以他們完全有可能用更短的時間完成該技術的商業化，並且他們的合作伙伴illumina不同於其他的風險投資機構和初創公司，illumina完全有耐心、有時間同他們一同努力。
關於Roswell和Collins團隊正在研究的測序技術，亞利桑那州立大學生物設計研究所單分子生物物理中心的Stuart Lindsay主任同樣表示了對這項技術前景的認同，並且據他個人的推測：“illumina併購Pacbio的主要原因之一就是看重了Pacbio在CMOS電子學測序領域擁有眾多專利技術和經驗積累（例如聚合酶固定ZMW技術），所以後續illumina測序技術向分子電子學技術路線轉移也並非沒有可能”。
雖然今天我們知道了這項併購交易在2020年的1月2號以失敗告終，但是我們仍然可以確定的是illumina將繼續在分子電子學測序技術上持續投入精力。
Lindsay主任還談到，Roswell目前的使用的技術是基於Collins團隊的研究成果改進而來的，最主要的區別是將連線兩端電極使用的連線橋從Carbon nanotube碳奈米管（下圖中綠色的圓管）換成了Biopolymer分子聚合物（例如雙鏈DNA），但Rosewell的CSO Merriman認為這個改變對於晶片的拓展性和大規模量產是決定性的，並且堅信Roswell將在同類技術的競爭中佔據主導地位，目前Roswell已經擁有了4項專利，並且有50項以上的專利正在申請。
Collins團隊的分子電路示意圖（Carbon nanotube）
Linsday主任認為：“依託於分子電子學測序技術的裝置有望在3～5年內推向市場並在10年內主宰整個測序技術領域，而illumina可能又將成為這個技術商業化的領導者，一切忽視該技術的人，終將為此付出代價。”
梅奧診所的David Smith教授並不認為基因測序行業技術的重大革命必須來自於新測序技術的商業化，他認為“顛覆”整個行業的技術更可能來自對於測序資料資訊的革命化處理方式和更廣泛的應用場景的發現。
因為測序不再是整個基因檢測專案環節中最重要的一環，後續隨著測序技術發展，我們將走出實驗室，帶著測序儀“上天入海”，很多時候我們並不需要測序儀產出具體的序列，只需要根據檢測儀指示燈的顏色來快速判斷樣本中是否含有特定的核酸序列，越來越多簡易、快速的檢測應用將徹底改變我們每一個人的生活。
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