点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:破译生命密码,让基因“说话”
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

破译生命密码,让基因“说话”

来源:科技日报2021-10-14 10:07

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  完成“人类基因组计划”所用的第一代基因测序技术,通量低、成本高、对人力需求大。而第二代基因测序技术可以一次性对几百万到几十亿条核酸分子进行序列测定,终结了漫长、浩大的测序时代,给生命科学研究和生物医学应用带来了全新突破。

  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。

  技术的进步促成了测序成本的下降。华大集团CEO尹烨曾指出,1990年开始的“人类基因组计划”,来自6个国家的约8000个科研工作者用时13年,才完成一个人的基因组测序,耗资38亿美元。而今天,在中国,一天就可以为几百人做基因组测序,每人只需要约500美金。“测序成本下降看似降低了产业市场规模,实则促进了高通量测序技术的普及,从而为基因测序行业快速增长带来机遇。”于军说。

  张陆琪也认为,成本下降将催生更多的行业中下游应用场景,不断扩大市场规模。此外,精准医疗时代的到来以及肿瘤基因测序服务需求高速增长,将进一步推动行业中下游的发展。随着中游测序服务行业的快速发展,测序服务提供商对测序仪器及试剂耗材的需求也日益提升,有利于扩大行业上游的市场空间。

  第三、四代基因测序技术聚焦单细胞

  于军指出,完成“人类基因组计划”所用的第一代基因测序技术,通量低、成本高、对人力需求大。随着“人类基因组计划”的完成,测序向着更大样本量、更多数据量、更多物种的方向迅速发展。高通量测序技术可以一次性对几百万到几十亿条核酸分子进行序列测定,终结了漫长、浩大的测序“工程时代”,给生命科学相关研究领域和生物医学应用带来了全新突破。“英国、美国等发达国家已经启动百万人量级的全民基因组测序工程,而千万到亿量级的基因组序列检测也已具备可操作性。”他说。

  尽管如此,为了完成单分子测序和RNA的直接测序,我们仍需要研发第三代测序仪和第四代测序仪。

  关于第三代基因测序技术,尹烨曾撰文指出,要了解生命活动的本质,就需要将测序的“分辨率”提高到“单细胞”水平。他认为,现在大部分的基因测序,还是以某一块组织或者血液中成千上万细胞的平均表达状态为研究对象,分辨率较低。事实上,经过10余年的发展,基于单细胞的基因表达调控研究正逐渐成为主流,有些技术甚至已经开始探索真正的“时空单细胞测序”,即以单个细胞为单元,在时间(细胞周期)和空间(器官分布)两个维度进行基因测序研究,记录细胞在原组织中基因表达调控的机制细节。

  于军解释说,第四代测序仪能够在单细胞水平和单分子分辨率下直接测定RNA分子的序列,同时识别序列中非直接转录生成的修饰核苷酸。因此,第四代RNA直测技术必须同时利用纳米孔技术和片上拉曼光谱技术,具有很大的挑战性。

  于军补充道,如果把第四代基因测序仪与一种交通工具做比较的话,那它就是“上天的火箭”。“第四代测序仪的特点是单分子测序、测序速度快、测序数据能实时监控、方便携带等,这些优点让其成为各国竞相研发的热点,但在准确率方面,第四代基因测序仪还有待提高。”他说。

  唐 芳

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 第十届上海国际木偶艺术周启幕

  • 城市作舞台 众客入戏来

独家策划

推荐阅读
根据国家气候中心监测,9月以来赤道中东太平洋海温持续增暖,为有监测记录以来候和旬尺度海温指数首次突破3摄氏度,海温指数峰值预计出现在11月前后,形成一次有监测记录以来最强的超强厄尔尼诺事件。
2026-09-30 09:45
这里,冬季寒冷漫长,寒凉气候、偏少降水、无霜期短的自然条件,难以形成规模化的城市聚落。对于传统农牧业,年均气温低、无霜期短意味着作物生长期受限;而对数据中心来说,这也是天然冷源。
2026-09-30 09:44
9月29日,中国科学院在京召开新闻发布会,正式发布“科学前沿极限突破计划”及其首批项目,向“极宏观、极微观、极端条件和极综合交叉”方向发起冲击。
2026-09-30 09:38
中国科普研究所经过深入调查研究,形成《全国科普事业发展报告(2026)》,全面展示我国科普事业持续发展壮大所取得的成就。
2026-09-30 09:32
现代科技发展史反复印证着一个道理:许多新技术的突破,归根结底都依赖材料的新发展。
2026-09-30 09:33
世界知识产权组织29日公布的2026年《全球创新指数》中,香港在全球139个经济体中排名再升一位至第14位,并在亚洲保持第五位。
2026-09-30 09:30
科学家绘制出了人体前额叶皮层脑区的已知最大规模基因表达图谱。这些研究进一步阐释了前额叶皮层脑区在生命不同阶段的发育情况,有望用于研究衰老、认知衰退和疾病易感性。在第二篇发表于《自然》论文中,西奈山伊坎医学院的Donghoon Lee和同事报道了一个与脑疾病相关的基因表达变化图谱。
2026-09-29 09:39
纤维的材料层次、器件结构和电路互连随成形过程共同建立起来,让纤维本身成为电路。另一组实验中,研究团队利用纤维组成的柔性交互界面及配套系统,实现了手指对机械臂和无人机的非接触控制。
2026-09-29 09:39
(记者王政)工业和信息化部等7部门28日联合印发《新型电池产业发展“十五五”规划》,提出到2030年,我国新体系电池研发取得重大进展,全固态电池初步实现规模化应用。
2026-09-29 09:40
记者李春剑从中国计量科学研究院获悉,近日,国际计量局(BIPM)的全球卫星导航系统(GNSS)时间传递标准首次在中国完成北斗关键参数的标校与比对验证。随着北斗时间传递链路校准、监测评估和国际互认体系持续完善,北斗将进一步为全球用户提供更加准确、可信的授时服务。
2026-09-29 09:39
近期,国务院印发《全民健身计划(2026—2030年)》,对“十五五”时期推动全民健身事业高质量发展作出部署。国际体育医学期刊《运动医学》指出,抗阻训练较常出现不适或损伤的部位主要集中在肩部、腰背部和膝部。
2026-09-29 09:37
全国科普月不仅是科普服务的集中推出期,更是营造爱科学、学科学浓厚社会氛围的重要契机。期待科普之翼越来越有力,把科学“种”进更多人心田。
2026-09-28 09:49
作为一线科技工作者,我觉得应该肩负起向公众传播科学知识、科学方法、科学思维和科学精神的社会使命。这是历史赋予我们的责任和义务,科学家应该将所学回馈社会。
2026-09-28 09:44
研究团队借助这套气体观测数据,首次定量证实:星团内接连发生的超新星爆发,持续输入的动能足以长期维持星系湍流。
2026-09-28 09:42
23日至27日,以“在数贸会遇见AI未来”为主题的第五届全球数字贸易博览会在浙江杭州国际博览中心举办。
2026-09-28 09:34
9月25日晚,皓月当空,海南科技馆外的人工湖边人头攒动。孩子们有序凑到天文望远镜前,凝神细看,月球表面深浅交错的环形山与陨石坑清晰映入眼帘。
2026-09-28 09:21
全球老龄化加速,如何延长健康寿命,成为生命科学研究领域最紧迫的课题之一。诸多抗衰老策略中,营养干预被认为最现实。已有研究表明,减少饮食中蛋白质的摄入,能延长酵母、果蝇和小鼠等模式生物的寿命。
2026-09-24 09:41
作为射电天文领域的国之重器,中国天眼(FAST)不断将我们的视野推向宇宙更深处,在脉冲星、快速射电暴、中性氢宇宙等前沿领域,一次又一次刷新着人类对于宇宙的认知。
2026-09-24 09:34
我国研究团队利用“天关”卫星(爱因斯坦探针卫星)与高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)的联合观测,在一颗距离地球约4600光年的脉冲星周围发现一条此前未被完整看到的超长X射线尾迹。
2026-09-24 09:30
国家统计局数据显示,在消费品以旧换新等政策利好下,节能家电、智能家居等越来越受到消费者的青睐。智能家居的终极目标,不是堆砌多少高科技设备,而是让人的生活更便利、更幸福。
2026-09-24 09:26
加载更多