DNA拍立得

　　10年前，美国发起的“人类基因组计划”，终于绘制出了史上第一份人类基因组序列图。2011年，如果要绘制全部基因组图谱需要花费几周的时间，有时甚至会超过一个月，需花费5000到10000美元。而如果你要进行一次全基因组测序，至少需要花费3000美元，耗时一周。为了降低个人绘制基因图谱的费用，2004年，美国国立卫生研究院设立了“1000美元基因组计划”，预计用14年完成该项目。

　　生物技术设备提供商美国生命技术公司(Life Technologies)正试图挑战这项计划。2012年初，该公司宣布，计划在年内推出一款能在一天之内仅需1000美元即可绘制人体蓝图——解码人类基因组的下一代测序仪Ion Proton。该测序仪的发明者乔纳森·罗森伯格(Jonathan Rothberg)博士预测，该仪器将广泛应用于医疗行业，包括儿童医院——探查新生儿病患是否患有已知的遗传病症，或自闭症背后的基因探秘……“所有癌症诊断和前沿的医疗技术都将因为基因测序而改变。”乔纳森说。

　　仅仅是在两年之前，美国生命技术公司还在生产大型的光学测序设备。那些设备太复杂了，而且需要众多操作人员。“操作人员的学历证明堆起来差不多要和设备一样高。”美国生命技术公司董事长兼首席执行官卢瑞格(Gregory Lucier)说。而要让这些仪器解读人类基因组，不需要一个月也得三两周。因此，卢瑞格问了自己一个问题：“怎样才能让基因组解读成为癌症治疗的标准程序呢？”带着这个问题，卢瑞格走进了新英格兰州的一家咖啡馆，和乔纳森进行探讨。那时的乔纳森正经营着一家名为Ion Torrent的公司。

　　乔纳森也许称得上是这个星球上基因测序研发领域最顶级的专家。大约10年前，乔纳森开始接触基因组学业务。那时候乔纳森有了一个儿子：诺亚。在诺亚出生的那个晚上，他被送进了新生儿重症监护病房。“在那一刻，我想要知道，为什么我的儿子诺亚会呼吸困难？为什么我的儿子诺亚会住进新生儿重症监护病房？这促使我想要开发一种技术，让所有的父母在类似的境况中能够得到答案。”乔纳森说。

　　于是乔纳森创立了一家名为4-5-4的公司，从样本中提取DNA，无论是人体样本还是细菌样本，然后复制这些DNA。乔纳森意识到，“人类基因组计划”之所以需要数十年的时间并花费30亿美元，很大程度上是因为大部分工作都是在制备样本。所以，4-5-4首先要解决的就是简化这项工作。他们借鉴了计算机行业的“摩尔定律”，采用低成本且兼具良好扩展性的半导体技术，从而创造出了后来称之为下一代基因测序的技术和设备。

　　当时的技术设备使用一块3.5×3 cm 的芯片，这块芯片上面有一亿多个只有百万分之一米大的微孔。将复制有DNA的材料倒进每个微孔，通过与基材发生反应生成氢离子，而内嵌在每个微孔中的感测器会监测到这些离子。今年有望推出的这种芯片有1.65亿个微孔，而另一款有望在明年年初上市的芯片则有6.6亿个这样的微孔。由于能够同时处理大量DNA，这项新技术可以大幅削减处理时间和成本。从某种程度上来讲，这一新技术让复杂的DNA检测成为一项“傻瓜式”的工作。

　　乔纳森之后又创建了Ion Torrent公司，美国生命技术公司于2010年以超过7亿美元的价格收购了该公司。加入美国生命技术公司后，乔纳森和他的团队在公司内享有充分的自主权，只需要告诉公司他需要什么样的帮助来完成他的工作就好了。公司抽调各方面的高精人才提供技术支持，并利用公司的全球销售和营销渠道进行推广。

　　2011年夏天，下一代基因测序得以牛刀初试。那时，欧洲爆发了一场莫名其妙的疫情，有人因吃了一种有毒的黄瓜而致病，病毒感染到其他人，几十人生命垂危，共有1000多人受到感染。随着时间的流逝，被感染的人还在增加。但棘手的是，人们对这种病毒为何物并不确定。所以，医疗专家们首先需要速战速决搞清楚这种病毒到底是什么。

　　当时美国生命技术公司的专家成为首批解密这一病毒元凶的人，生命技术公司的中国合作伙伴华大基因参与了其中的很多工作。研究人员快速设计出试剂从现场提取样本，对食品供应源进行筛查。中国和德国的科学家用了大约两个小时的时间，在一块价值99美元的芯片上进行解码，得到了500万个碱基对序列(即DNA序列)。通过基因测序，专家得出结论，一种混合型致病大肠杆菌菌株是导致德国致命疫情的原因。它是一种超级小虫，对抗生素具有耐受性。此后，科学家们研制出针对性的疫苗 。

　　将于今年推出的Ion Proton测序仪定价为9.9万 -14.9万 美元，这使得大型医疗机构或诊所足以负担得起该款测序仪(现有的测序仪售价高达75万 美元)。由计算机芯片和生物化学机理构成的该款测序仪，进行全基因组测序只需花费1000美元。

　　有科学家表示，突破1000美元(仅仅相当于做一次核磁共振的价格)的门槛，将使得已经在快速发展的基因图谱测绘和药物研发行业的发展步伐再上一个台阶。制药公司越来越需要确定变异基因来开发靶向性药物。而遗传学家们也日渐认识到，越来越多疾病起因竟然只是一个基因变异的结果。全基因组测序，与识别一组被疑与某种疾病关联的基因不同，可以让科学家全面查看所有基因，以确定与疾病相关联的变异基因。“如果全基因组测序的费用降到足够低，我们可以对新生儿做全基因组测序……”耶鲁大学遗传系主任Richard Lifton 说，“我越来越相信这些的确可能变为现实。”

　　可以预见，在未来几年，疾病治疗方面会有一个颠覆性的革命。在疾病的症状出现之前，通过基因测序的方法，能够更好地进行疾病预防，将医疗成本控制在可控的范围之内，同时也可以保证生活的质量，即便疾病出现也不会受到太大的影响。比如说，中国的南方有一种疾病叫“地中海贫血”，这就是一个与基因相关的疾病，中国南方易感人群的比重会更高一些。现在，患有地中海贫血症的家庭成员，可以通过早期筛查的方式，确定自己是否存在这样的基因突变，然后再决定是否要生小孩；或者在小孩出生之后进行筛查，尽早进行医学干预。

　　美国生命技术公司中国区总裁Siddhartha Kadia博士认为，基因组测序技术商业化应用的主要障碍之一，是分子诊断层面的从业人员，即临床医生，他们多快能接受和学习到这一技术，并且真正掌握它。而涉及到基因层面，无论是它的诊断、筛查，都不可避免地会牵扯到一些伦理方面的问题。“这主要是一个个人的选择问题，也就是说，人们需要在伦理道德和生活改善之间做一个权衡。”Siddhartha Kadia说。同时，基因检测带来的伦理问题也会涉及到政府的政策导向，它需要个人和政策协同进行处理。

　　至于成本，正如计算机技术产品一样，基因组测序的技术会一直处于一个下行的通道。随着它的应用和使用者越来越多，预计它未来的成本会不断降低。卢瑞格对此非常乐观，他甚至认为，几年内有可能实现“100美元解码人类基因”——基因解码走入寻常百姓家只是一个时间问题。

　　基因测序技术的发展历程

　　人类基因测序始于上世纪90年代，从基于毛细管基因分析的第一代测序到后来的基于高通量化学技术的第二代测序，再到最近兴起的基于半导体芯片技术的革新性测序技术，从测序通量、测序时间和测序费用方面都有惊人的改善。

　　一、上世纪90年代开始的人类基因组测序采用的是第一代测序，全球的很多专家用了10多年的时间才完成了一个人类基因组的测序，花费数十亿美元。

　　二、2011年发布的Ion Torrent个人化操作基因组测序仪(PGMTM)使一个人的全基因组测序时间缩短至几天，费用降到了数千美元。

　　三、2012年，Ion Proton实现了以1000美元成本在一天之内完成整个人类基因组的测序。这一全球性的生物技术重大突破将基因测序的应用成功推向医疗临床应用以及更多的领域，将是惠及全球普通消费者的医疗检测手段。

　　四、基因测序未来将发展到单分子测序和纳米测序。总的来说，基因测序的发展趋势就是更简单、更方便、更快速、更便宜。