破译生命密码 第二代测序技术仍为主流

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。

文章来源：《电子信息对抗技术》 网址: http://www.dzxxdkjs.cn/zonghexinwen/2021/1015/408.html