终成正果的英国独角兽生物仪器公司

前言

去年年底，Oxford Nanopore Technologies 正式登陆伦敦证券交易所，当日市值达到了67亿美元。历经16年的发展，累计超过10亿英镑的融资，这家纳米孔测序的独角兽公司作为英国估值最高的科技公司之一，成功取得了又一个重要的里程碑。

本次我们特别编译了发表在 Front Line Genomics上关于纳米孔测序技术的展望文章。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

从技术发展的角度看，在学术界和工业界的通力合作下，经过了25年的努力，基于纳米孔方法的第三代基因测序技术（也有称其为第四代测序技术的）终于取得了充分的实质性进展。

这种技术被认为是最具前景的测序技术之一，在可预见的未来将推动基因组研究继续向前发展。

MinION测序原理动态演示

纳米孔测序技术的优势包括：在基因分型方面的高性价比，测试地点的高灵活性，以及可快速实时地进行样品处理。

注：基因分型的实质就是鉴定目标性状的编码基因是否发生了预期的改变，如单碱基突变，目的片段的插入或缺失。

01 纳米孔测序技术的诞生

1989年，加州大学生物分子工程学教授David Deamer首次提出了纳米孔测序的概念。当时，他想知道一个DNA链在加电压的条件下通过一个膜通道会发生什么现象，并对此进行了深入研究。

加州大学生物分子工程学教授David Deamer，来源网络

6年后，Deamer教授和其他教授一起为这个想法向美国专利办公室提交专利申请，后者则想当然地认为这个概念有些“异想天开”。

然而，研究小组在1999年发表了他们的第一篇使用“纳米孔测序”这个术语的论文。2年后，他们又捕捉到了一个“发卡状”单链DNA通过一个纳米孔的图像。这在当时是一个全新的测序DNA方法。

牛津大学Hagan Bayley教授，来源网络

与此同时，牛津大学的Hagan Bayley教授和他的团队也在独立进行一个相关技术的研究，即对一个物质通过纳米孔后所产生的电子流变化的测量来实现物质鉴定。

Bayley教授在这一技术概念上做出了卓越贡献，并在2005年，与其他人联合成立了Oxford Nanopore Technologies公司。

公司成立9年后，它的第一款便携式DNA测序仪MinION问世，它整合了基于纳米孔的测序技术。这在当时令人耳目一新，因为它使DNA测序实验几乎可以在任何地方进行。

到了2014年，MinION实现了每秒可穿过30个碱基对的能力。从那时起到现在，DNA通过纳米孔的易位速率提升了15倍，读序质量也同步提升。

02 展望纳米孔测序

当前，Oxford Nanopore Technologies的测序平台包括袖珍型MinION（最多 512 个纳米孔通道），更大一些的GridION（可运行和分析多达5个 MinION 流通池）以及台式机PromethION（最多可运行48个大容量PromethION流通池）。

Oxford公司各型号测序仪，来源网络

2018年，有报道称，MinION可以进行人类全基因组测序，并与参照物进行了比对。

由于这种技术无需PCR 扩增，表观遗传修饰方面不会发生变化，从而确实实现了表观遗传学测序。

注：表观遗传修饰是指染色体和组蛋白上的化学修饰，主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA。在不改变DNA序列的情况下，这些修饰可以通过改变染色质状态来影响遗传信息的表达，并具有可遗传性。表观遗传学是遗传学研究中最为前沿的领域之一。

此外，在这种技术的帮助下，针对特定染色体区域的一些带有端粒重复序列的超长序列的映射比对也成为可能。

注：只有通过与参考基因组的映射比对，才能确定所测序列在基因组上的位置。

手持式MinION已基本被证明具有获得一个复杂基因组读长的能力，长度可以达到88.2万个碱基。这个成绩显示纳米孔测序的未来将是极其令人激动的。

注：读长指的是测序仪单次测序所得到的碱基系列，也就是一连串的ATCGGGTA之类。

令人惊讶的是，MinION的价格大概在1000美元左右，尺寸上仅比普通的优盘稍大。而做到极致的便携性也许是它最主要的优势。

不需要复杂的建库过程。在使用MinION进行RNA测序时，也无需先逆转录为互补DNA。

注：对于二代测序而言，DNA片段需要加接头修饰才能进行上机测序，这个过程称为文库构建。

已几乎可以肯定地说，未来的DNA测序势必涉及能够在现场直接使用的仪器，但为了做到这一点，有一些障碍需要首先克服。

当下，最大的问题是大多数的分子实验方法被局限在洁净的、装备完善的场所中进行。多数科学家已经习惯了实验室分析，所以，对于很多项目而言，典型的二代测序仪器缺乏便携性并不是什么大问题。这意味着研究人员们并不会马上转向手持式平台，从而潜在地延缓了它们的商业成功速度。

不过，新冠疫情的爆发也许会驱动加速这种转变。2021年，Oxford Nanopore Technologies对外宣布，LamPORE（一种新冠病毒检测技术）问世，它适用于拭子和唾液样品。

该平台结合了环介导等温扩增技术和纳米孔测序。它不仅能够鉴定新冠病毒的三个基因，同时还可以在同一样品里检测其他的病原体，例如呼吸道合胞病毒。

2021年初展开的一项探索性研究发现，LamPORE无论对于有症状还是无症状感染者，准确率均超过99.5%。

LamPORE检测装置，来源网络

这款检测装置尤其令人激动的地方在于它的扩展性，能够在公共场所（例如机场、养老院、学校等）用于病毒的快速筛查。

自从纳米孔技术问世以来，其碱基判读算法和孔系统寿命就一直在持续改进提高。如果一直保持这样的进步势头，那么在具有临床诊断意义的人类测序应用方面，这些技术将会发挥更大的作用。

此外，Oxford Nanopore Technologies已经聚焦于自动化解决方案，从而使用户可以运行更多的样品，更大的项目，节省更多的时间以用于其他任务。

该公司与Hamilton公司在PromethION仪器的自动化方面进行了合作；与Opentrons集团在MinION和GridION平台的自动化方面进行了合作。

还有，Earlham Institute（英国厄尔勒姆研究所）的科学家们专门为纳米孔测序开发了一种称之为ALVIS的工具，以用于基因组组装和基因比对的可视化，从而提升他们的生物数据质量。

注：基因组组装就是把序列测序产生的读取片段经过序列拼接组装，生成基因组的碱基序列。

基因比对，即通过使用现代计算方法来计算出序列之间的相似性程度，从而了解生物之间的遗传变异关系。

所有这些进步都在暗示，纳米孔方法正在引领我们走向“全基因组检查成为每日的常规手段”这一科学家们一直在奋斗的目标。

编者的话

最近这段时间北京的这波疫情，使很多北京市民有了一天一次核酸的经历。而未来要想改变这种状况，在本小号看来，只有两条途径可走，要么改变防疫策略，要么期待有更先进的快筛手段的出现。

5月10日，国家发改委发布了《“十四五”生物经济发展规划》（以下简称《规划》），这是中国首部生物经济五年规划。

《规划》中专门对新一代基因测序技术提出了明确的任务要求，即“不断提高基因测序效率、降低测序成本”。

任务很明确，但具体如何落实？这可能得等相关配套文件的出台。

从过去的发展经验看，基因测序上游国产厂家的数量也不能算少，只不过，其中有相当一部分是属于和跨国公司的贴牌合作。

自主研发生产基因测序仪的国产厂家中，做得相对比较成功的，目前为止可能只有华大智造一家。（注：其最初的核心技术是收购自美国Complete Genomics（简称CG）公司）

至于其他也曾在镁光灯下备受瞩目的测序仪国产品牌，譬如瀚海基因、中科紫鑫、华因康等等，要么早已销声匿迹，要么市场反应平淡无奇……

华大收购CG公司是在2013年。考虑到目前中美两国之间的结构性矛盾，这种发展模式今后恐怕是很难再复制了，尽管市场上确实存在优质标的。

2019年的时候，另一家知名第三代测序技术开发和测序仪制造公司Pacific Biosciences曾有被基因测序巨头Illumina以12亿美元并购的意向。但在英国竞争和市场管理局（CMA）和美国联邦贸易委员会（FTC）双重监管的压力下，并购最终以失败告终。

不过，好在基因测序仪所面对的是一个巨大的蓝海市场，不断有新的资本和人才涌入。

2021年10月，"四川在线"报道了"成都齐碳科技有限公司突破了生命科学关键技术"卡脖子"的困境，实现了新一代基因测序技术的完全自主可控，成为继英国Oxford Nanopore后，世界唯二、中国唯一能将纳米孔测序技术商业化的公司。"

同年9月，另一家纳米孔基因测序企业今是科技宣布完成超亿元B轮融资。

而在更早前的2020年5月，华大智造宣布完成超过10亿美元B轮融资。

……

在应用广度上，《规划》则提出了"基因检测技术覆盖率持续提高"的目标。

在这方面，从一些官媒以往的报道中已能感觉到一些征兆。

就拿处于抗击新冠疫情第一线的疾控口来说，据了解，在一些经济发达省份，动辄百万元起步的第二代高通量基因测序仪已经开始向地市级疾控中心下沉。