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DNA测序设备市场升温

基因图谱技术的进步比摩尔定律还快。新的选择范围从先进的半导体和新材料到纳米孔。

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十多年前,一个国际财团通过对人类基因组进行测序,达到了一个重要的里程碑。利用被称为DNA测序仪的实验室系统,人类基因组计划(HGP)确定了构成人类基因组的近30亿个碱基对的顺序。这反过来又被认为是为预防、治疗和治愈疾病铺平了道路。

2014年初,Illumina又迎来了一个里程碑,这家生物科技公司宣称,它以1000美元的成本完成了人类大小的基因组测序。相比之下,10年前的成本约为1,000万美元。

DNA是一种携带生物遗传指令的分子。一套完整的DNA叫做基因组。DNA测序是一种决定DNA碱基顺序的技术,这反过来对遗传学、基因突变和治疗的研究很重要。

无论如何,Illumina公司的说法都有一定的争议,因为对人类基因组进行测序的实际成本约为4000美元或更多。事实上,在DNA测序领域仍然存在许多挑战。其中之一是将负担得起的DNA测序用于基因分析。尽管如此,Illumina的DNA测序技术,被称为合成测序(SBS),已经主导了市场,并且比预期的规模要大得多。

但是,为了在新兴的领域中将Illumina赶下宝座,几家公司一直在开发基于各种相互竞争的技术的下一代DNA测序仪。技术竞争者包括DNA纳米球、纳米孔、单分子和半导体器件。在实验室里,研究人员还在研究基于碳纳米管、石墨烯、微流体等的DNA测序仪。

他们的目标是在短期内使每个基因组的成本接近1000美元的目标,但目前业界正在谈论未来100美元的基因组。因此,在下一代DNA测序竞赛中,最终的技术赢家和输家将由成本、功能、可制造性和可扩展性决定。

“目前,一些(DNA测序)技术正在发挥作用。其中一些还没有起作用。在这种情况下,人们还没有弄清楚如何设计设备,更不用说制造它了。你可以做一个实验。但是,要弄清楚如何经济有效地制造出具有足够高质量特征的阵列,并在设备中工作是非常具有挑战性的,”美国国家人类基因组研究所(NHGRI)基因组科学部主任杰弗里·施洛斯(Jeffery Schloss)说。NHGRI是组成美国国立卫生研究院的27个研究所和中心之一,参与了几个项目,包括1000美元的基因组测序技术开发计划。

希望与挑战
DNA测序被用于农业、法医和医学。据分析师称,DNA测序市场是一个价值200亿美元的业务,每年以25%至30%的速度增长。Evercore ISI分析师罗斯•穆肯(Ross Muken)表示,Illumina占据了DNA测序市场80%的份额,其次是赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)。Complete Genomics、Nabsys、Oxford Nanopore、Pacific Biosystems和Roche也在市场上竞争。

在原始HGP中,DNA(脱氧核糖核酸)测序是使用桑格化学和毛细管仪器进行的。HGP和其他研究表明,人类基因组由23对染色体组成。染色体分为3万个更小的区域,称为基因。每个基因由一串核苷酸碱基组成,被称为a、C、G和t。人类DNA总共有30亿个碱基。根据Illumina公司的说法,这些碱基的确切顺序被称为DNA序列。

基于萨格尔的化学物质仍被用于某些应用,但这种技术过于昂贵,已被较新的技术所取代。总的来说,DNA测序带来了新的突破,至少在实验室是这样。Muken说:“(DNA测序)的目标是解开具有遗传特征的复杂疾病。”“肿瘤学就是一个很好的例子。希望随着时间的推移,这个想法是开发治疗患者的疗法和手段,这样我们就可以更好地预防和有更好的临床结果。我们正在接近一些临床发现。我们开始在制药方面取得一些重大突破和应用。”

NHGRI的施洛斯说,最大的挑战之一是实现每个基因组成本达到1000美元的真正目标,这可能在未来两到三年内实现。1,000美元的目标意义重大是有充分理由的。在这样的成本下,保险公司可能会开始补偿使用DNA测序进行基因分析的患者。

还有其他挑战。在DNA测序中,一个系统产生数百万个单个DNA碱基的短读。计算机必须将数据组装并映射到参考基因组。但在参考基因组中存在缺口。重复的短读有时会被排除在测序之外,导致数据不完整。

在主流应用中,也存在一些障碍。例如,许多医生正在为患者提供临床基因组或外显子组测序(CGES),或者有一天会使用。CGES是一种精简版的全基因组测序,而且成本更低。(CGES)正在测序基因组的外显子组或蛋白质编码区,以及蛋白质编码区附近的DNA。这大约是基因组的5%。现在,你可以以每人500至600美元的价格做到这一点。”“对于那些对其有效的患者来说,这是非常有意义的。但它只对25%的患者有效。我们不知道为什么它对其他病人不起作用。一个显而易见的猜测是,问题并不在那5%的基因组内。 It resides somewhere else in the genome.”

另一方面,根据NHGRI的说法,CGES已经确定了许多疾病的致病或致病基因变异,包括Charcot-Marie-Tooth病、智力障碍、代谢障碍、癫痫、心肌病、癌症和肌萎缩性侧索硬化症(ALS)。

招聘:新突破
今天的下一代DNA测序仪从用于靶向DNA工作的台式设备,到用于大规模全基因组测序的高端系统。Illumina表示,凭借一款高端系统,它突破了1,000美元的门槛。基于光学方法,Illumina公司的SBS技术使用荧光标记的核苷酸在流式细胞表面平行排列数亿个簇。“存在巨大的数据质量问题。现在,使用SBS每一美元可以获得更好的数据质量,”NHGRI的Schloss说。“(Illumina)在继续扩展这项技术方面做得非常出色。在某种程度上,它似乎应该停止缩放。但它还没有停止。”

不过,据一位竞争对手说,Illumina的解决方案价格昂贵。赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific)基因分析产品管理主管安迪·费尔顿(Andy Felton)说:“你必须购买价值1000万美元的设备,并在数年内测试数万个样本,才能达到1000美元。”

与此同时,凭借相关技术,太平洋生物科技也取得了里程碑式的成就。一般来说,测序的平均读取长度为100 ~ 200个碱基。Pacific Biosciences公司推出了一种新的化学试剂,使平均读取长度从10,000到15,000个碱基,最长读取长度超过40,000个碱基。

太平洋生物科学公司的DNA测序仪是基于单分子实时(SMRT)技术。DNA测序在微小的SMRT细胞上进行。每个单元都有150000个零模波导。施洛斯说:“他们在产生这些长读数方面走得最远,(但是)对人类基因组进行测序大约需要5万美元。”这可比4000多了。尽管如此,人们仍在使用这些信息来构建更好的参考基因组。”

其他公司则在开发基于半导体技术的DNA测序仪。DNA测序芯片是基于尖端几何结构的一次性cmos设备。在这一领域,公司借用了许多IC行业中使用的相同技术。原始设备制造商利用基于cmos的晶圆厂流程,使他们能够扩展其设备。

基于半导体的DNA测序仪存在一些挑战。例如,在实验室里,Illumina公司正在开发一种DNA芯片。“最大的挑战是界面,”Illumina高级副总裁兼首席技术官穆斯塔法·罗纳吉(Mostafa Ronaghi)说。“你基本上是在把干科学和湿科学结合起来。另一个挑战是模型数据。”

其他人有不同的观点。“我们的目标是做得更快、更便宜、更好,”赛默飞世尔科学公司的Felton说。“我们以半导体为基础的技术的承诺是,一次运行就能完成1000美元的(基因组)。我们离目标不远了。”

2011年,赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific)旗下的Life Technologies公司推出了首款DNA测序芯片,名为“离子激流”(Ion Torrent)。基于cmos的设备的顶部有数百万个微小的微井,每个微井都类似于垂直的沟槽。在流动中,使用光刻技术绘制微井图案。然后,二氧化硅和氮化硅层的介电薄膜堆叠沉积在衬底上。蚀刻机被用来凿井。

在每个微孔中,都有一个嵌入DNA的球形结构。在这下面,该设备由一层基于晶体管的pHFET传感器组成。然后,该设备的底部由硅衬底组成。

基本上,一个核苷酸流入微孔。“我们在每个孔中启动化学反应,释放氢离子。这改变了井中溶液的pH值。然后,我们就会接收到这个信号。”“这真的是世界上最小的pH计,在这些半导体设备的表面上有数百万个井。”

第一个Ion Torrent芯片有1100万口井。每口井的特征尺寸为3微米。相比之下,目前的芯片有1.65亿个孔,特征尺寸为1.5微米。它还包括并行运行的24个2.5 gb高速链路的模数转换器。

现在,该公司正在研制一种名为P2的新芯片。这种0.5微米的设备包含6.6亿个井,功耗为1 ~ 2瓦。Felton表示:“要在6.6亿口井中构建芯片,并在合理的温度下获得芯片中的数据速率,这是一个具有挑战性的项目。“芯片内部也有生物活动。所以,我们不能在非常高的电压下运行芯片,产生大量的热量。这只会扼杀生物化学。”

还有其他技术选择。牛津纳米孔公司正在开发基于纳米孔技术的DNA测序仪。“这些是直径为2纳米的小孔,”NHGRI的施洛斯说。“对此,没有聚合酶分子。它实际上只是DNA通过毛孔时的电子读数。”

该行业的下一个目标是100美元的基因组。该行业是否能实现其崇高目标并彻底改变医疗保健,仍有待观察。但趋势正朝着正确的方向发展。赛默飞世尔科技公司的Felton说:“如果你看看测序仪产量的增长,就会发现在过去20年里,该技术的发展速度已经超过了摩尔定律。”“我们可以争论未来是否会保持这样的速度。”



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