科幻電影中，常有在太空飛船中進(jìn)行基因測序的情節(jié)，不過這一情節(jié)的科幻感越來越弱——2016年人類首次實現(xiàn)了在太空中的基因測序，其結(jié)果與在地球上的測序并無二致?？苹靡呀?jīng)成為現(xiàn)實。
得益于商業(yè)宣傳，基因測序經(jīng)科普祛魅了成百上千次，并通過「產(chǎn)前篩查」這類醫(yī)療應(yīng)用進(jìn)入尋常百姓家。這么看來，在太空進(jìn)行基因測序，不過是將一個在地球上做濫了的實驗搬到太空復(fù)現(xiàn)，有什么值得吹噓的呢？
NASA宇航員Kate Rubins在太空進(jìn)行基因測序
事情沒這么簡單。
成都齊碳科技聯(lián)合創(chuàng)始人謝丹教授告訴雨前顧問，雖然基因測序已經(jīng)很容易實現(xiàn)，但目前大規(guī)模使用的測序儀卻相當(dāng)笨重，且這些儀器大多基于光學(xué)原理，有復(fù)雜而精密的顯微鏡系統(tǒng)，稍有晃動，就需調(diào)校?；鸺l(fā)射震動劇烈，航天器又經(jīng)常需要加速變軌，把又大又重的儀器發(fā)射到軌道上，還要保證光學(xué)部件隨時可用，幾乎不可能。
如何破？科學(xué)家們打算另辟蹊徑，從源頭出發(fā)，讓基因測序擺脫對光學(xué)系統(tǒng)的依賴。2015年人類首次實現(xiàn)的太空基因測序，其關(guān)鍵正是運(yùn)用了一種基于測序新原理——納米孔測序——的儀器。這種小型化且在移動條件下也能使用的測序儀，讓人類最尖端的生物技術(shù)成功邁過「太空」這道門檻，意義不可謂不大。
為太空基因測序提供技術(shù)支持的牛津納米孔科技（Oxford Nanopore Technologies，下稱ONT），是全球首家研制出納米孔測序儀的公司。去年9月，齊碳科技發(fā)布了自主研發(fā)的納米孔單分子基因測序儀，在填補(bǔ)國內(nèi)技術(shù)空白的同時，成為世界唯二能將納米孔測序商業(yè)化的公司。
ONT成立至今超過15年，累積融資約8億英鎊（約合72億人民幣）；齊碳科技創(chuàng)立至今不到5年，累積融資額僅為ONT的2%（截至2021年3月，齊碳科技累計融資1.63億人民幣）。但從0到1地研發(fā)出納米孔測序儀，ONT花了9年，齊碳科技僅用了4年。
目前齊碳科技已獲得多個一線資本認(rèn)可，如高榕資本、雅惠投資、BV百度風(fēng)投、中關(guān)村協(xié)同創(chuàng)新基金等，被雨前顧問評為2020年度成都黑科技企業(yè)。
中國首臺納米孔測序儀是如何誕生的，這為成都帶來怎樣的現(xiàn)實意義？雨前顧問專訪了謝丹教授，意欲挖掘背后的故事。
謝丹是成都七中的畢業(yè)生，從中科大赴美深造，取得博士學(xué)位后在斯坦福大學(xué)開展博士后研究。2016年前后，謝丹回到成都聯(lián)合創(chuàng)立齊碳科技，現(xiàn)同時作為博導(dǎo)負(fù)責(zé)華西前沿醫(yī)學(xué)中心組學(xué)技術(shù)與生物信息研究室。謝丹回國的一大初衷，正是要造出可商用的納米孔測序儀，而國內(nèi)能提供好的資源與機(jī)會。
背景：風(fēng)起人類基因組計劃
故事需要從頭講起。
提到基因測序，繞不開人類基因組計劃（HGP）。該計劃旨在通過測定組成人類染色體中30億個堿基對序列，從而達(dá)成破譯人類遺傳信息的目的。
從1990年正式啟動到2003年宣布完成，HGP吸引了中、美、德、日、英、法六國超千名科學(xué)家參與，被譽(yù)為和曼哈頓計劃、阿波羅計劃并列的人類科學(xué)史上三大工程。
2001年《自然》發(fā)表文章稱HGP進(jìn)度已達(dá)90%
但HGP只是把人類基因組圖譜繪制了出來，離基因測序發(fā)展成造福人類的產(chǎn)業(yè)，還差十萬八千里，原因之一，在于高昂的測序成本。首個人類基因測序，花費(fèi)了30億美元，而就算在HGP完成的2003年，要對特定某人進(jìn)行全基因組測序，成本也高達(dá)5000萬美元。
為解決成本挑戰(zhàn)，美國國立衛(wèi)生研究院于2003年發(fā)起了「5年內(nèi)實現(xiàn)10萬美元=1個人類基因組」和「10年實現(xiàn)1000美元=1個人類基因組」的兩步走戰(zhàn)略計劃，以鼓勵開發(fā)新的測序技術(shù)。
計劃掀起了研發(fā)熱潮，成功催生了以高通量為特征的下一代測序技術(shù)，即目前占據(jù)市場主流地位的二代測序儀。為以示區(qū)別，人們將過去替HGP立下汗馬功勞的測序儀稱為第一代。
這場研發(fā)熱潮的階段性結(jié)果是，市場逐步演變成一超一強(qiáng)的格局：一家叫Illumina（因美納）的大寡頭，一家叫賽默飛世爾的小寡頭，以及一些在夾縫中求生存的公司。
在齊碳科技成立的2016年，Illumina的基因測序儀全球市場占有率超過70%，賽默飛世爾的市占率說起來全球第二，卻僅有16%。到2017年，Illumina使測序成本降低到1000美元，率先實現(xiàn)「1000美元測序1個人類基因組」的設(shè)想，不過比美國原定的計劃晚了4年。
二代測序儀的出現(xiàn)，已經(jīng)給普通人的生活帶來了實質(zhì)影響，并衍生出一系列應(yīng)用場景，比如產(chǎn)前篩查，比如遺傳疾病診斷等。但這種影響還不夠深入，產(chǎn)業(yè)化也不夠充分，測序成本依然較高，讓整個基因測序產(chǎn)業(yè)處于一種「行百里者半九十」的狀態(tài)。
市場：打通應(yīng)用的最后一公里
就在各種二代測序儀爭霸之際，以單分子測序為特征的第三代測序技術(shù)，則在同步發(fā)展，其中就包括納米孔測序。
ONT成立于2005年，發(fā)展數(shù)年成果寥寥，直到2012年左右，這家公司推出了基于納米孔測序的工程樣機(jī)，不過測序準(zhǔn)確率僅到70%。
即便準(zhǔn)確率偏低，納米孔測序依然有其價值。
謝丹告訴我們，最初業(yè)內(nèi)認(rèn)為，二代測序和納米孔測序是一對互補(bǔ)技術(shù)。
二代測序雖然結(jié)果準(zhǔn)確，但測序讀長很短，實際測序時需要把一條完整的長基因打碎成多個片段，最后再把不同片段的數(shù)據(jù)還原成完整數(shù)據(jù)，這過程就像拼圖一樣，耗時耗力，在數(shù)據(jù)還原的過程中也難免出現(xiàn)錯誤。而納米孔測序讀長很長，可以測一條完整的長基因，這給二代測序提供一個如何「拼圖」的全局參考，提高了整體的測序效率。
此外基因里存在不少重復(fù)片段，用二代測序碎片拼圖的方法，難以找到這些重復(fù)，而納米孔測序就可以找到。某些遺傳疾病，正是因為基因重復(fù)而導(dǎo)致的，「大約60-70%的遺傳疾病，用二代測序可以檢測出相關(guān)點突變，而剩下30-40%的遺傳疾病，則需要用長片段測序技術(shù)檢測出致病的結(jié)構(gòu)性變異，在這個角度這兩種測序技術(shù)非常互補(bǔ)?！怪x丹表示。
但隨著納米孔技術(shù)的發(fā)展，事情起了微妙變化。
2015年后，ONT通過產(chǎn)品迭代，將測序準(zhǔn)確率一舉提高到85%，這達(dá)到了商用水平。去年年底，ONT宣布將納米孔測序的準(zhǔn)確率提高到接近99%，而齊碳科技內(nèi)部最新的堿基識別算法準(zhǔn)確率已超過90%。這樣的準(zhǔn)確率足以讓納米孔測序開拓醫(yī)療應(yīng)用場景。
因二代測序設(shè)備龐大，必須在中心實驗室完成樣本測序，加之開機(jī)成本高，需要累積到一定量的樣本才能測序，所以客戶拿到報告的時間長，而納米孔測序儀便攜小巧，設(shè)備成本低，可以突破中心實驗室這個操作場景限制，尤其適合時下臨床非常推崇的POCT，即「即時檢測」。兩者相比，納米孔測序有很大的臨床應(yīng)用潛力。
比如在癌癥診療中，癌細(xì)胞變異非?？?，用二代測序，一個檢測報告等一周，非常耽誤治療。此外納米孔測序還能大幅縮短臨床病原微生物耐藥診斷的時間，國內(nèi)外相關(guān)論文已有不少，預(yù)計這項技術(shù)大規(guī)模進(jìn)入醫(yī)院，就是未來兩年的事了。
在謝丹看來，納米孔測序雖然還處在市場摸索和教育階段，但它可以解決基因測序應(yīng)用最后一公里的問題。未來納米孔測序儀很有可能會擠壓二代測序儀的市場空間，且能夠把整個測序市場的蛋糕給做大，甚至撬動C端市場，這個想象空間，就不止當(dāng)前全球基因測序百億美元的市場規(guī)模這么簡單了。
2013-2018年全球和中國基因測序市場規(guī)模及未來預(yù)測，數(shù)據(jù)來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院
產(chǎn)品：中國首臺納米孔測序儀誕生簡史
基因測序領(lǐng)域的巨頭并非沒有看到納米孔測序技術(shù)的潛力。
事實上，測序行業(yè)老大Illumina早就想把機(jī)會抓到手中，但在2012年與ONT合作開發(fā)納米孔測序儀的計劃破產(chǎn)后，Illumina只能把ONT視作威脅，時不時找點茬。
而在納米孔測序完成了埃博拉病毒的測序，以及對幾內(nèi)亞和非洲臨時實驗室患者的診斷后，Illumina感覺到威脅加劇，于是展開專利方面的訴訟，以阻礙ONT發(fā)展，甚至不惜砸12億美金去收購另一家三代測序公司PacBio（該公司走的是非納米孔的技術(shù)路線），以便拉長與ONT專利戰(zhàn)爭的戰(zhàn)線。
不過這場收購遭到了曠日持久的反壟斷調(diào)查，Illumina只好終止收購，并向PacBio支付了近一億美元的終止費(fèi)。但I(xiàn)llumina作為行業(yè)老大，其掌握市場、保護(hù)既得利益的決心不會改變，相信未來還會有更多行動來阻礙納米孔測序的發(fā)展。
有趣的是，就在Illumina宣布終止收購的那一天，ONT宣布自己獲得了1.1億英鎊的債權(quán)融資，頗有點開慶功宴的意思。
話說回來，Illumina如此強(qiáng)大，為何不自己研發(fā)納米孔測序，反而拐彎抹角打壓對手？
非不想，實不能。一是因?qū)＠琌NT建立了專利溝壑；二是因市場，納米孔測序儀會擠壓二代測序儀市場，對Illumina來說就和「柯達(dá)發(fā)明了數(shù)碼相機(jī)，卻因會降低膠卷出貨而封存技術(shù)」的境遇類似；三是因納米孔測序的實現(xiàn)，難度很大，人才稀少。
「這個事情的難度在哪里？一是難在專利上，我們從一開始就進(jìn)行了大量布局，確保不會遇到專利障礙，」謝丹指出：「二是難度在跨學(xué)科，從化學(xué)到設(shè)備自動化到生物芯片設(shè)計，再到最后用人工智能方法對基因數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，需要一個擁有復(fù)合工程能力的團(tuán)隊，但在2012年左右全面了解納米孔測序技術(shù)細(xì)節(jié)的，我估計全球范圍內(nèi)不超過200人。」
讓我們將目光聚焦回齊碳科技。
2011年，謝丹從伊利諾伊大學(xué)香檳分校博士畢業(yè)，進(jìn)入斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院從事博士后研究。不久之后，ONT推出了納米孔測序樣機(jī)。
納米孔測序原理
「納米孔測序原理非?？幔粭lDNA片段，通過納米孔，然后結(jié)果就出來了，沒有繁雜的數(shù)據(jù)拼接過程。」納米孔測序給謝丹留下了深刻印象，并在他心里埋下了種子。
而在博士后研究期間，謝丹逐漸萌生了要做測序儀的想法：「當(dāng)時我在斯坦福一個很偏技術(shù)的實驗室做技術(shù)，有些成果也被Illumina收購了，但做久了就會發(fā)現(xiàn)，整個行業(yè)都被上游做測序儀的公司把控了。還是得從上游入手，才能產(chǎn)生更大價值?！?/div>
于是謝丹開始嘗試尋找一起創(chuàng)業(yè)的伙伴。因緣際會下，謝丹認(rèn)識了也想回國發(fā)展的白凈衛(wèi)博士。白凈衛(wèi)博士是研究納米孔測序技術(shù)的專家，屬于世界上真正了解納米孔測序技術(shù)平臺的極少數(shù)人之一。
回國后，謝丹找到了自己的七中同學(xué)、在西門子中國研究院擔(dān)任電子儀器專家的胡庚。接著團(tuán)隊又引入其他高端人才，打通了研制納米孔測序儀的能力鏈條，終于將齊碳科技的創(chuàng)始團(tuán)隊固定下來。
經(jīng)過數(shù)年研發(fā)，從原理樣機(jī)到工程樣機(jī)再到產(chǎn)品量產(chǎn)，齊碳科技一步一個腳印，全面突破了納米孔測序的核心技術(shù)，所研發(fā)的納米孔測序儀擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。
相比ONT，齊碳科技的從0到1之路走得既快且穩(wěn)，這與公司成立之前創(chuàng)始團(tuán)隊就在對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究不無關(guān)系。但雖說沒走多少彎路，齊碳科技依然花了4年時間才實現(xiàn)產(chǎn)品，這從側(cè)面印證了納米孔測序儀的研發(fā)難度。
謝丹告訴雨前顧問，剛起步時，和大部分創(chuàng)業(yè)企業(yè)一樣也經(jīng)歷過缺錢缺人的過程。初期全靠幾位創(chuàng)始人親力親為，不過現(xiàn)在情況已大為改觀，員工總數(shù)接近200人，碩博學(xué)歷占比超過50%，多名研發(fā)人員來自清華、北大、牛津、中科院大學(xué)、阿德萊德大學(xué)等知名高校。但創(chuàng)始團(tuán)隊依然覺得人才聚集的速度太慢，正在考慮在設(shè)立更多的分支機(jī)構(gòu)吸引人才加入。
「齊碳科技在發(fā)展過程中，最主要的挑戰(zhàn)就是人才。生物醫(yī)藥行業(yè)，高精尖的人才集中在北上廣，做得好的一般年紀(jì)也比較大，不容易挪窩，所以拓展更多分支機(jī)構(gòu)對吸納人才很有必要。」謝丹表示。
目前齊碳科技雙中心運(yùn)營，北京主攻研發(fā)，成都主攻生產(chǎn)。公司已經(jīng)陸續(xù)收到一些合作意向，且客戶成分多元化，涉及科研口、醫(yī)療口、農(nóng)業(yè)口等。未來一段時間，齊碳科技將致力于產(chǎn)品量產(chǎn)，同時持續(xù)加速研發(fā)，開發(fā)不同應(yīng)用場景的測序儀。
挑戰(zhàn)：全球扳手腕，成都能贏嗎？
在對基因測序行業(yè)進(jìn)行深度研判后，雨前顧問認(rèn)為：當(dāng)下基因測序行業(yè)正處在一個歷史性節(jié)點上，這跟2005年前后二代測序儀剛推出時很像，未來幾年，行業(yè)競爭勢必加劇，市場格局面臨重構(gòu)。
一代測序，中國的科技水平?jīng)]能趕上；二代測序，中國以華大基因為代表，通過收購美國公司獲取二代測序儀的核心技術(shù)開啟自研之路；三代測序，中國終于能夠參與舞臺中央的競爭了。這令人聯(lián)想起「中國3G落后，4G追平，5G趕超」的故事來。
通過齊碳科技，成都獲得了在世界范圍內(nèi)展示科技實力的「門票」。繼電子信息后，生物醫(yī)藥是成都下個最有可能突破萬億規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，而基因測序儀，兼具電子信息和生物醫(yī)藥的特征屬性，均是成都長板。成都確有資格站在舞臺中央，這張門票，得之無愧。
難能可貴的是，在這個世界級的舞臺上，成都還能擁有一定話語權(quán)：行業(yè)通常將納米孔測序與單分子實時測序等技術(shù)合稱為第三代測序技術(shù)，而齊碳科技為了突出技術(shù)獨特性，將自家產(chǎn)品定義為「第四代測序儀」。這種說法獲得了業(yè)界認(rèn)同，沒多久ONT也將自家產(chǎn)品稱作第四代測序儀。
認(rèn)同歸認(rèn)同，競爭還是不能馬虎。ONT與Illumina、Illumina與華大基因糾葛不斷、交鋒激烈，而齊碳科技的入局勢必讓競爭局勢變得更加復(fù)雜，這個劇本是「聯(lián)吳抗曹」，還是「假道伐虢」，亦或「群雄逐鹿」？沒人能夠預(yù)判。
但可以確定的是，中國已經(jīng)坐上了押注硬科技的牌桌。眼下「門票」難得，在推動基因測序產(chǎn)業(yè)發(fā)展上，成都應(yīng)該有動作。（雨前顧問產(chǎn)業(yè)分析師 程學(xué)怡）
