眼下，納米孔測序技術又再火熱起來，越來越多行業人士談論這項技術。
在國內，近2年間，納米孔測序儀行業的應用創新和模式創新，密集出現。一方面，國產頭部廠商接連發布和迭代納米孔基因測序儀，國產納米孔基因測序儀和相關耗材、軟件的生態不斷完善。另一方面，越來越多的實業巨頭跨行業加入納米孔基因測序儀的產品研發和商業化激戰，加速了這項創新生物技術的商業化落地，也拓展了應用邊界。
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盡管如此，相比于稍早十幾年出現的高通量測序技術，納米孔測序技術的商業化發展還在路上?，F階段，納米孔測序的商業化體量還不大。根據英國企業ONT發布的最新財報，這家全球領先的納米孔基因測序儀廠商的業績，在2023年上半年取得了顯著進步，實現營收8600萬英鎊。而高通量測序技術代表企業Illumina，在業績滑坡的2023年上半年，仍收入億美元。
那么，國產納米孔基因測序儀的商業化走到哪一步了？它的產業鏈價值到底是什么？
商業化探索剛剛起步
“應該說，納米孔測序技術還沒有完全成熟。”齊碳科技首席科學家白凈衛博士告訴動脈網，“在大多數情況下，納米孔測序技術是作為二代測序技術的補充。”
齊碳科技首席科學家白凈衛博士 圖片來源：受訪者供圖
納米孔測序法采用完全有別于二代測序技術的理化方法。
在基因測序的過程中，納米孔測序利用核酸帶有電荷的物理屬性，在接通電源的溶液中，引導被測序物質穿過薄膜上納米尺度的孔洞，造成孔內離子電流變化。由于ATCG堿基結構不同，穿過孔洞時產生的離子電流變化會存在細微差異，通過記錄這些細微差異，即可呈現過孔核酸的堿基序列。
商用的納米孔測序主要采用鏈測序法，能夠實現單分子連續測序，從而繪制出完整的基因序列。在頻頻出現的突發公共衛生事件中，納米孔測序儀快速檢出未知病原體，被更多人了解。實際上，納米孔測序技術的商業化腳步是相對緩慢的。納米孔測序技術最早在出現在上世紀80年代末，2014年開始，商業化的納米孔測序儀陸續問世，在科研領域，納米孔測序的應用已遍地開花，但IVD端的市場應用卻沒有快速打開。
這背后的原因在于，一方面，商業化納米孔測序儀工程化成熟化難度極大，另一方面，準確率及成本等還有待進一步優化以支撐大規模商業化應用需求。
據白凈衛博士介紹，發展至今，納米孔測序技術走完了商業化最早期的階段，即基本解決了從測序原理到工程樣機構建過程的技術難題。但從工程樣機到商業化應用，卻還有一系列復雜、未知的問題需要探索，前者依托科學家的極致思維，而后者更多考驗工程化能力。
具體而言，要大規模實現商業化，對納米孔測序儀來說，需要在保持使用便捷度的同時，持續提升準確率、降低成本，白凈衛博士說，這也是齊碳一直在思考和摸索的商業化命題。
首先是基于結構生物學和算法模型的準確率提升。對于納米孔測序而言，納米孔蛋白所具備的生化性能，是影響測序準確率的關鍵要素。通過不斷優化結構生物學設計，搭配合適的生物酶，可以在一定程度上提高納米孔測序儀的測序準確率。比如，齊碳科技最新發布的QPursue中通量測序平臺，適配最新一代K2生化體系，搭載全新算法套件，單次準確率達97%。
齊碳科技QPursue-6k中通量測序儀 圖片來源：受訪者供圖
此外，對下機數據的算法配合，也是提升納米孔測序儀準確率的核心環節。除了優化納米孔和生物酶，據了解，齊碳科技還基于對通用神經網絡的設計和調優，嘗試將納米孔測序的準確率從97%繼續提高一個新的水平。而在納米孔測序的準確率達到一定水平后，每個百分點的提升，都意味著極大的技術挑戰和進步。當然，算法的介入會在一定程度上推高測序成本，這就需要在納米孔測序儀準確率提升的同時，降低硬件支撐的復雜度，保持測序儀的小巧、便捷。
其次是基于測序通量和芯片材質的成本降低?；驕y序的下機數據，會以字節形式存儲。一個堿基對應一個字節，測序通量越高，產生的數據體量越大。二代測序技術的廣泛應用，在很大程度上得益于通量的大幅提升和單Gb數據測序成本的斷崖式下降。這個邏輯在納米孔測序儀的商業化進程中同樣適用。
據了解，齊碳科技利用提高自主電路設計的集成度，來實現測序通量的提升?！斑@個過程并不容易，集成電路被設計出來，并不意味著一定能用?！卑變粜l博士表示，“從某個角度來講，在推動納米孔測序通量提升的同時，我們還解決了國產晶圓的代工封裝和整體測試問題?！饼R碳科技此次發布的中通量測序芯片QCell-6k就是采用密度更高的ASIC電路排布方式，將生物芯片和電路芯片合二為一，單芯片搭載孔數超過6000個，實現通量的大幅提升的同時，測序成本也隨之降低。
最后是基于應用流程的一體化構建，提升使用的便捷度。前面提到，納米孔測序儀體積小巧，可以作為實驗室集成化、自動化網絡的一個節點，與各種各樣的生命科學儀器搭配使用，也可以提供從樣本處理到結果分析的全鏈條整體解決方案。這種相對簡便的形式，在基層實驗室、野外科研方面，無疑具有很大的應用空間。
DNA測序之外？
商業化已然起步，但納米孔測序的應用場景還可以在哪里？動脈網在READs2023·中國納米孔基因測序峰會上，找到了些許答案。
READs2023·中國納米孔基因測序峰會 圖片來源：受訪者供圖
人類基因組計劃中國部分總工程師、中國科學院微生物研究所研究員胡松年一直關注納米孔測序技術的演進和應用。他發現，近5年來，幾乎所有基因組測序項目都有納米孔測序的身影，當下完成一個高質量基因組測序已經變得“簡單粗暴”，即以納米孔測序為主。
其中，四川大學華西基法學院侯一平教授研究團隊將納米孔測序應用到了法醫遺傳研究中，已在法醫遺傳頂刊發表了兩篇研究成果。此外，在腫瘤融合基因、公共衛生防疫、動物疫病防治、環境微生物組學等多元應用場景下，納米孔測序正在更多的領域展示出它的價值和潛力，商業化之路揚帆起航。
如果把基因組看作是一整塊拼圖，對于同樣一張拼圖來說，二代測序是由1000塊的小拼圖拼接成，納米孔測序則由100塊拼接而成，顯而易見，后者的拼圖難度大大降低。此外，納米孔的長讀長屬性，更能看到基因片段中的缺失、重復等大規模的結構變異，從而獲得更加清晰、完整的生命信息。2022年4月1日，《科學》雜志刊登的人類基因組完成最后8%，就是利用了長讀長測序的這個優勢。
納米孔測序在基因組研究領域已經彰顯出十分巨大的應用潛力，而一旦將觀察的視角轉移到更遠的未來，或許還存在著納米孔測序真正打破應用邊界的可能性。比如，納米孔測序已經可實現RNA的直接測序。更進一步，納米孔測序的應用正在突破以核酸為邊界的限制，在多肽、小分子層面，也可以實現測序。
白凈衛博士表示，本質而言，這項技術是一種鏈測序法，想要測序的物質只要是一個連續的鏈，找到合適的方法，就可以像過磁帶一樣，將物質從孔里拖拽過去，從而實現輸出信號。
比如，將納米孔應用在多肽測序中，在短多肽情況下，已經可以實現磷酸化的測序，這也納米孔測序研究非常熱門的一個方向。在肽鏈穿過納米孔的過程中，攜帶有1個磷酸化修飾或者2個磷酸化修飾，所產生的離子信號阻隔是不一樣的。值得關注的是，納米孔測序體系對多肽修飾非常敏感，可以輸出明顯的測序信號。盡管納米孔的多肽測序還處于研發早期，有很多科學問題有待解決，這個方面應用的進一步優化，無疑將拓展納米孔測序在臨床上的應用邊界。
動脈網了解到，使用納米孔檢測小分子的熱度也迅速提升，納米孔的修飾會提升小分子檢測敏感程度，會產生差異化的過孔信號，從而形成納米孔小分子檢測的基礎。
洞見萬物，這才是納米孔測序技術最讓人興奮的所在。我們相信技術迭代和商業化能力持續提升之下，納米孔測序技術能夠為人類更好地洞悉生命，提供更豐富的價值。
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