眼下，納米孔測(cè)序技術(shù)又再火熱起來，越來越多行業(yè)人士談?wù)撨@項(xiàng)技術(shù)。
在國內(nèi)，近2年間，納米孔測(cè)序儀行業(yè)的應(yīng)用創(chuàng)新和模式創(chuàng)新，密集出現(xiàn)。一方面，國產(chǎn)頭部廠商接連發(fā)布和迭代納米孔基因測(cè)序儀，國產(chǎn)納米孔基因測(cè)序儀和相關(guān)耗材、軟件的生態(tài)不斷完善。另一方面，越來越多的實(shí)業(yè)巨頭跨行業(yè)加入納米孔基因測(cè)序儀的產(chǎn)品研發(fā)和商業(yè)化激戰(zhàn)，加速了這項(xiàng)創(chuàng)新生物技術(shù)的商業(yè)化落地，也拓展了應(yīng)用邊界。
(資料圖片僅供參考)
盡管如此，相比于稍早十幾年出現(xiàn)的高通量測(cè)序技術(shù)，納米孔測(cè)序技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展還在路上。現(xiàn)階段，納米孔測(cè)序的商業(yè)化體量還不大。根據(jù)英國企業(yè)ONT發(fā)布的最新財(cái)報(bào)，這家全球領(lǐng)先的納米孔基因測(cè)序儀廠商的業(yè)績，在2023年上半年取得了顯著進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)營收8600萬英鎊。而高通量測(cè)序技術(shù)代表企業(yè)Illumina，在業(yè)績滑坡的2023年上半年，仍收入億美元。
那么，國產(chǎn)納米孔基因測(cè)序儀的商業(yè)化走到哪一步了？它的產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值到底是什么？
商業(yè)化探索剛剛起步
“應(yīng)該說，納米孔測(cè)序技術(shù)還沒有完全成熟。”齊碳科技首席科學(xué)家白凈衛(wèi)博士告訴動(dòng)脈網(wǎng)，“在大多數(shù)情況下，納米孔測(cè)序技術(shù)是作為二代測(cè)序技術(shù)的補(bǔ)充。”
齊碳科技首席科學(xué)家白凈衛(wèi)博士 圖片來源：受訪者供圖
納米孔測(cè)序法采用完全有別于二代測(cè)序技術(shù)的理化方法。
在基因測(cè)序的過程中，納米孔測(cè)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(dǎo)被測(cè)序物質(zhì)穿過薄膜上納米尺度的孔洞，造成孔內(nèi)離子電流變化。由于ATCG堿基結(jié)構(gòu)不同，穿過孔洞時(shí)產(chǎn)生的離子電流變化會(huì)存在細(xì)微差異，通過記錄這些細(xì)微差異，即可呈現(xiàn)過孔核酸的堿基序列。
商用的納米孔測(cè)序主要采用鏈測(cè)序法，能夠?qū)崿F(xiàn)單分子連續(xù)測(cè)序，從而繪制出完整的基因序列。在頻頻出現(xiàn)的突發(fā)公共衛(wèi)生事件中，納米孔測(cè)序儀快速檢出未知病原體，被更多人了解。實(shí)際上，納米孔測(cè)序技術(shù)的商業(yè)化腳步是相對(duì)緩慢的。納米孔測(cè)序技術(shù)最早在出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代末，2014年開始，商業(yè)化的納米孔測(cè)序儀陸續(xù)問世，在科研領(lǐng)域，納米孔測(cè)序的應(yīng)用已遍地開花，但I(xiàn)VD端的市場(chǎng)應(yīng)用卻沒有快速打開。
這背后的原因在于，一方面，商業(yè)化納米孔測(cè)序儀工程化成熟化難度極大，另一方面，準(zhǔn)確率及成本等還有待進(jìn)一步優(yōu)化以支撐大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用需求。
據(jù)白凈衛(wèi)博士介紹，發(fā)展至今，納米孔測(cè)序技術(shù)走完了商業(yè)化最早期的階段，即基本解決了從測(cè)序原理到工程樣機(jī)構(gòu)建過程的技術(shù)難題。但從工程樣機(jī)到商業(yè)化應(yīng)用，卻還有一系列復(fù)雜、未知的問題需要探索，前者依托科學(xué)家的極致思維，而后者更多考驗(yàn)工程化能力。
具體而言，要大規(guī)模實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，對(duì)納米孔測(cè)序儀來說，需要在保持使用便捷度的同時(shí)，持續(xù)提升準(zhǔn)確率、降低成本，白凈衛(wèi)博士說，這也是齊碳一直在思考和摸索的商業(yè)化命題。
首先是基于結(jié)構(gòu)生物學(xué)和算法模型的準(zhǔn)確率提升。對(duì)于納米孔測(cè)序而言，納米孔蛋白所具備的生化性能，是影響測(cè)序準(zhǔn)確率的關(guān)鍵要素。通過不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)生物學(xué)設(shè)計(jì)，搭配合適的生物酶，可以在一定程度上提高納米孔測(cè)序儀的測(cè)序準(zhǔn)確率。比如，齊碳科技最新發(fā)布的QPursue中通量測(cè)序平臺(tái)，適配最新一代K2生化體系，搭載全新算法套件，單次準(zhǔn)確率達(dá)97%。
齊碳科技QPursue-6k中通量測(cè)序儀 圖片來源：受訪者供圖
此外，對(duì)下機(jī)數(shù)據(jù)的算法配合，也是提升納米孔測(cè)序儀準(zhǔn)確率的核心環(huán)節(jié)。除了優(yōu)化納米孔和生物酶，據(jù)了解，齊碳科技還基于對(duì)通用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和調(diào)優(yōu)，嘗試將納米孔測(cè)序的準(zhǔn)確率從97%繼續(xù)提高一個(gè)新的水平。而在納米孔測(cè)序的準(zhǔn)確率達(dá)到一定水平后，每個(gè)百分點(diǎn)的提升，都意味著極大的技術(shù)挑戰(zhàn)和進(jìn)步。當(dāng)然，算法的介入會(huì)在一定程度上推高測(cè)序成本，這就需要在納米孔測(cè)序儀準(zhǔn)確率提升的同時(shí)，降低硬件支撐的復(fù)雜度，保持測(cè)序儀的小巧、便捷。
其次是基于測(cè)序通量和芯片材質(zhì)的成本降低。基因測(cè)序的下機(jī)數(shù)據(jù)，會(huì)以字節(jié)形式存儲(chǔ)。一個(gè)堿基對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)，測(cè)序通量越高，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)體量越大。二代測(cè)序技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在很大程度上得益于通量的大幅提升和單Gb數(shù)據(jù)測(cè)序成本的斷崖式下降。這個(gè)邏輯在納米孔測(cè)序儀的商業(yè)化進(jìn)程中同樣適用。
據(jù)了解，齊碳科技利用提高自主電路設(shè)計(jì)的集成度，來實(shí)現(xiàn)測(cè)序通量的提升。“這個(gè)過程并不容易，集成電路被設(shè)計(jì)出來，并不意味著一定能用。”白凈衛(wèi)博士表示，“從某個(gè)角度來講，在推動(dòng)納米孔測(cè)序通量提升的同時(shí)，我們還解決了國產(chǎn)晶圓的代工封裝和整體測(cè)試問題。”齊碳科技此次發(fā)布的中通量測(cè)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(shù)超過6000個(gè)，實(shí)現(xiàn)通量的大幅提升的同時(shí)，測(cè)序成本也隨之降低。
最后是基于應(yīng)用流程的一體化構(gòu)建，提升使用的便捷度。前面提到，納米孔測(cè)序儀體積小巧，可以作為實(shí)驗(yàn)室集成化、自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與各種各樣的生命科學(xué)儀器搭配使用，也可以提供從樣本處理到結(jié)果分析的全鏈條整體解決方案。這種相對(duì)簡便的形式，在基層實(shí)驗(yàn)室、野外科研方面，無疑具有很大的應(yīng)用空間。
DNA測(cè)序之外？
商業(yè)化已然起步，但納米孔測(cè)序的應(yīng)用場(chǎng)景還可以在哪里？動(dòng)脈網(wǎng)在READs2023·中國納米孔基因測(cè)序峰會(huì)上，找到了些許答案。
READs2023·中國納米孔基因測(cè)序峰會(huì) 圖片來源：受訪者供圖
人類基因組計(jì)劃中國部分總工程師、中國科學(xué)院微生物研究所研究員胡松年一直關(guān)注納米孔測(cè)序技術(shù)的演進(jìn)和應(yīng)用。他發(fā)現(xiàn)，近5年來，幾乎所有基因組測(cè)序項(xiàng)目都有納米孔測(cè)序的身影，當(dāng)下完成一個(gè)高質(zhì)量基因組測(cè)序已經(jīng)變得“簡單粗暴”，即以納米孔測(cè)序?yàn)橹鳌?
其中，四川大學(xué)華西基法學(xué)院侯一平教授研究團(tuán)隊(duì)將納米孔測(cè)序應(yīng)用到了法醫(yī)遺傳研究中，已在法醫(yī)遺傳頂刊發(fā)表了兩篇研究成果。此外，在腫瘤融合基因、公共衛(wèi)生防疫、動(dòng)物疫病防治、環(huán)境微生物組學(xué)等多元應(yīng)用場(chǎng)景下，納米孔測(cè)序正在更多的領(lǐng)域展示出它的價(jià)值和潛力，商業(yè)化之路揚(yáng)帆起航。
如果把基因組看作是一整塊拼圖，對(duì)于同樣一張拼圖來說，二代測(cè)序是由1000塊的小拼圖拼接成，納米孔測(cè)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(fù)等大規(guī)模的結(jié)構(gòu)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(xué)》雜志刊登的人類基因組完成最后8%，就是利用了長讀長測(cè)序的這個(gè)優(yōu)勢(shì)。
納米孔測(cè)序在基因組研究領(lǐng)域已經(jīng)彰顯出十分巨大的應(yīng)用潛力，而一旦將觀察的視角轉(zhuǎn)移到更遠(yuǎn)的未來，或許還存在著納米孔測(cè)序真正打破應(yīng)用邊界的可能性。比如，納米孔測(cè)序已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)RNA的直接測(cè)序。更進(jìn)一步，納米孔測(cè)序的應(yīng)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(shí)現(xiàn)測(cè)序。
白凈衛(wèi)博士表示，本質(zhì)而言，這項(xiàng)技術(shù)是一種鏈測(cè)序法，想要測(cè)序的物質(zhì)只要是一個(gè)連續(xù)的鏈，找到合適的方法，就可以像過磁帶一樣，將物質(zhì)從孔里拖拽過去，從而實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)。
比如，將納米孔應(yīng)用在多肽測(cè)序中，在短多肽情況下，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)磷酸化的測(cè)序，這也納米孔測(cè)序研究非常熱門的一個(gè)方向。在肽鏈穿過納米孔的過程中，攜帶有1個(gè)磷酸化修飾或者2個(gè)磷酸化修飾，所產(chǎn)生的離子信號(hào)阻隔是不一樣的。值得關(guān)注的是，納米孔測(cè)序體系對(duì)多肽修飾非常敏感，可以輸出明顯的測(cè)序信號(hào)。盡管納米孔的多肽測(cè)序還處于研發(fā)早期，有很多科學(xué)問題有待解決，這個(gè)方面應(yīng)用的進(jìn)一步優(yōu)化，無疑將拓展納米孔測(cè)序在臨床上的應(yīng)用邊界。
動(dòng)脈網(wǎng)了解到，使用納米孔檢測(cè)小分子的熱度也迅速提升，納米孔的修飾會(huì)提升小分子檢測(cè)敏感程度，會(huì)產(chǎn)生差異化的過孔信號(hào)，從而形成納米孔小分子檢測(cè)的基礎(chǔ)。
洞見萬物，這才是納米孔測(cè)序技術(shù)最讓人興奮的所在。我們相信技術(shù)迭代和商業(yè)化能力持續(xù)提升之下，納米孔測(cè)序技術(shù)能夠?yàn)槿祟惛玫囟聪ど峁└S富的價(jià)值。
關(guān)鍵詞：
