斯坦福大學的系統生物學家邁克爾·斯奈德說，對于DNA測序來說，今年是“大變革之年”。測序對于從基礎生物學到病毒學再到人類進化的各個領域都至關重要，而且其重要性與日俱增。臨床醫生吵着要利用它癌症的早期檢測和其他疾病，生物學家正在尋找更多的方法基因組學研究單細胞。但多年來，大多數測序都依賴于一家公司Illumina的機器。

經過兩年的飛速研究，科學家們收集了一系列治療COVID-19患者的療法。但現在，研究人員擔心，随着測試新療法所需的臨床試驗變得越來越困難，新療法的開發可能會受到阻礙。

然而，上周，一家名為Ultima Genomics的年輕公司在佛羅裡達州奧蘭多的一次會議上表示，通過對現有技術的新突破，它可以以每次100美元的價格提供人類基因組，現行價格的五分之一。在同一次會議上，其他幾家公司也承諾更快、更便宜的測序，基因組生物學和技術的進步。今年，保護Illumina測序技術的關鍵專利将到期，這為更多的競争鋪平了道路，包括來自中國公司MGI的競争，該公司上周宣布，将于今年夏天開始在美國銷售其機器。加州大學聖克魯斯分校(UCSC)的進化生物學家貝絲·夏皮羅說:“我們可能正處于測序領域下一次革命的邊緣。”

1、新技術的出現

大多數測序公司，包括控制了全球80%市場的Illumina，都依賴于“合成測序”。要被破譯的DNA被分成單鍊，通常被切成小段，并安裝在一個叫做流動池的容器中的一個表面上，通常是一個小珠子。每個單鍊片段充當模闆，指導合成具有互補堿基的鍊，每次提供一個堿基給珠子通道。因為每一個添加的堿基都被修飾成發光的，所以照相機可以記錄它附着的位置——從而記錄原始鍊上相應堿基的身份。重複這些步驟，直到新的DNA鍊完成。

Ultima簡化了這一過程，将數十億個載有DNA的珠子噴到甜點盤子大小的圓形矽片上。每個晶片上方的噴嘴輕輕地噴出堿和其他試劑，當晶片旋轉時，這些試劑會薄薄地均勻分布在晶片上，減少了這些昂貴材料的用量。光盤不是在相機下來回移動，而是以螺旋方式移動，類似于光盤的播放方式，這加快了成像速度。UCSC大學的分子生物學家馬克·阿克森說，這是“巧妙的工程，避免了許多複雜的管道工程”。神經網絡程序迅速将成像數據轉化為序列。

測序化學也不同。隻有少數堿基帶有熒光标記，降低了成本。此外，基地缺乏通常的停止信号，這确保沒有額外的基地鎖定。如果沒有這些“終止子”，不斷增長的鍊有時會一次添加多個堿基，從而加速這一過程。西雅圖華盛頓大學(UW)的遺傳學家和技術開發人員傑伊·申杜爾如是說:“這些創新中有許多在其他地方被使用，但它們似乎在這裡很好地結合在一起。”

Ultima首席執行官Gilad Almogy和他的同事在5月下旬發布在bioRxiv上的四份預印本中展示了這項技術的潛力。在其中一個項目中，他們和麻省理工學院和哈佛大學布羅德研究所的同事使用他們的機器對超過224個已經測序的人類基因組進行測序，并發現他們的結果與之前的工作相當。其他三項研究表明，這項技術可以評估單個細胞的表達基因、突變的影響和表觀遺傳學(影響基因活性的DNA化學修飾)。

2、另一種擔憂

到目前為止，成本限制了這種單細胞研究，造成了研究的瓶頸。但是Snyder發現Ultima的低成本方法使他能夠對多個結腸癌細胞進行測序，以記錄一個DNA修飾，甲基化，如何随着結腸癌的發展而變化。

在另一份預印本中，Joshua Levin和他的Broad Institute同事測試了Ultima技術識别單個血細胞中由基因RNA轉錄物指示的活性基因的能力。該團隊發現Ultima的機器識别這些基因的能力和Illumina的差不多。他補充說，“由于成本更低，這是一個遊戲規則的改變者。”

UW基因組學的研究生Florence Chardon用基因組編輯器CRISPR修改DNA，她對這一前景感到興奮。“測序越便宜，越多的實驗室和更多的人就越容易進行這種研究，”她說。

但是加州理工學院的計算生物學家Lior Pachter對這項新技術持保留意見。他和研究生A. Sina Booeshaghi觀察了萊文團隊血細胞中最活躍的基因之一，這是一種可能的癌症生物标志物，也因産生一種蛋白質而聞名，運動員有時會注射這種蛋白質以非法提高他們的成績。帕切特說，Ultima技術有時會遺漏活性基因。“錯誤率非常高，性能非常差。”

該基因有一段相同的堿基重複八次，Ultima承認長重複會破壞其閱讀的準确性。在Ultima序列的其他地方，帕切特發現了一個堿基重複三次的錯誤。他指出，一個人類基因組至少包含140萬個這種所謂的同聚物。不過，他說，“對于某些應用，你不需要完美的序列。”

3、統計的複雜性

帕切特和其他人也對吹捧的100美元成本提出異議。這個數字隻包括試劑，不包括人工，前測序和後測序步驟，以及機器的初始費用，機器的價格尚未公布。即使100美元的數字是真實的，它可能不是唯一的:其他公司也承諾每個人類基因組100美元。

一家是中國測序巨頭BGI的子公司MGI。MGI的技術與Illumina的類似，但它通過在DNA測序時一次添加所有四個堿基來提高準确性。為了追蹤哪些堿基被摻入，它使用了抗體，這種抗體比熒光染料更亮也更便宜。Illumina也承諾降低成本，并在會上介紹了新的化學物質來提高準确性和靈活性。

為了實現這個低廉的價格，Ultima和MGI都需要用數百個基因組來填滿他們的測序儀。但是高通量測序“并不總是有利于臨床實踐，即使它有很好的經濟效益，”Greg Elgar，Genomics England的基因組生物學家說，因為有時醫生隻需要分析一個或幾個人的基因組。其他擁有新型流動池和化學物質的公司可以經濟地對少量基因組進行測序。在上周的會議上，Element Biosciences首席執行官Molly He報告說，該公司現在正在出售台式測序儀，一次可以對三個人類基因組進行測序，每台成本為560美元。另一家公司Singular Genomics也承諾采用不需要高通量的台式技術來節省成本。

這些機器，像來自Illumina、MGI和Ultima的機器一樣，都能破譯DNA的短片段。但在過去的7年裡，兩家公司，太平洋生物科學公司和牛津納米孔技術公司，一直緻力于測序“長閱讀”，數千個堿基長，留下更少的部分序列拼湊成一個完整的基因組。埃爾加說，這些技術“可以對天然的DNA分子進行測序，這是它最大的優點”。他們一直在努力低精度和高成本，但他說他們在他們的成為實用工具的方法。

先别把測序巨頭Illumina排除在外。英國劍橋的生物信息學和基因組學顧問Albert Vilella說，中國的科學家“可能已經在他們的後口袋裡放了幾張牌”，以保持他們在市場上的強勢地位。然而，他補充道，Illumina面臨着前所未有的競争。“是時候用新的眼光看待(DNA測序)前景了。”

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