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出于将基因分析技术应用于个人临床治疗的目的，一个生物化学家和一个电子工程教授不约而同地开始设计针对个人化医疗的基因测序仪器。随着今年3月Ion Proton的问世，他们的初衷有望变成现实。
撰文/周林文
乔纳森•罗森伯格（Jonathan Rothberg）看着自己才出生不到14个小时的儿子诺亚被送进了重症加强护理病房；而就在片刻之前，他们一家还在庆祝这个小生命的到来。现在，他只能默默地祈祷三年前的悲剧不再重演。
三年前，罗森伯格的女儿乔丹娜被诊断患有一种罕见的遗传并——结节硬化症，它会导致患者眼部、心脏、肾、皮肤、肺和大脑出现肿瘤。现在，罗森博格彻夜守在病房外，盼望医生能给他一个比较确定的回答，“为什么我就不能得到关于诺亚的全部信息呢？”他突然问自己。
对于罗森博格这个生物技术行业的创业者来说，所谓的“全部信息”意味着掌握全基因组的序列。但那是在1999年，当时流传的基因测序方法还是“自动毛细管电泳测序技术（capillary gel electrophoresis，CE）”，这个技术成本昂贵且耗时颇长，所以它只属于实验室、属于科学家，而不是像诺亚这样的普通患者。从那时起，将基因测序用于个人医疗就成为了罗森伯格的最大愿望。今年3月，他所在的生命科技公司（Life Technologies，以下简称Life公司）推出了最新一代Ion Proton台式基因组测序仪，可以在一天之内测定一个人的全基因组——罗森博格的梦想已经触手可及。
源于IT界的灵感
“自动毛细管电泳测序技术”是英国生物化学家弗列德里克•桑格（Frederick Sanger）的发明，利用荧光标记不同的碱基来测序。这种测序仪体积庞大、造价高昂，而且在测序中所使用的试剂也价格不菲。另外，由于在测序后期，需要通过计算机对荧光信号进行分析，所以整个测序所花的时间也比较长。这个技术从1976年开始一直沿用至今，虽然成本已经从20世纪末用30亿美元做一个人类基因组测序，降到了现在的1万美元，但这种耗时而且依然昂贵的方法显然不利于在医院的临床诊断中推广开来。
罗森博格想要的是更快、更便宜的测序方法。于是，他在2000年成立了454生命科学（454 Life Sciences）公司。该公司研制出了一种能在10小时内对400-600巨碱基（megabase）的焦磷酸测序技术（pyrosequencing）。较磷酸测序的方法一推出就获得了巨大的成功，被应用于多项具有重大意义的研究项目中。在2007年，罗氏诊断公司（Roche）收购了454生命科学公司，目前罗氏诊断公司的GS FLX测序仪就是基于焦磷酸测序技术。
不过罗森博格并没有停下创新的脚步。就在罗氏诊断收购454生命科学公司的同年，他又创立了Ion Torrent公司。作为史蒂夫•乔布斯的崇拜者，这一次，他从IT界获得了灵感，开始尝试用半导体微芯片来设计测序仪。
而此前，帝国理工学院的克里斯•图马左（Chris Toumazou）教授已经在利用类似的技术了。图马左是DNA电子（DNA Electronics）公司的创始人，他与罗森博格有着类似的经历。2004年，图马左的儿子马库斯由于一种前所未闻的遗传并而患上肾衰竭，并进行了肾移植手术，随后做了三年多的透析，这让图马左下决心要帮助像自己儿子这样受遗传病折磨的人。
与罗森博格不同，图马左是电子工程学教授，对半导体技术十分熟悉。他知道化学家们一直在用离子选择性场效应晶体管（ISFET）作为一种探针，来探测pH值的变化，ISFET可以集成在CMOS芯片上，而CMOS芯片与通常手机上使用的芯片类似，可以大批量地廉价地生产。于是，图马左开使用这种带有ISFET的CMOS微芯片来制作生物探测器，起初是专门针对葡萄糖、尿素和其他代谢物。随后，他开使用这种芯片来探测DNA片段。在2001年，图马左的一个学生把DNA聚合酶添加到ISFET上，然后再加入腺嘌呤，他发现当腺嘌呤在DNA聚合酶的催化下与待检测的DNA片段结合时，因为有氢离子释放，所有pH值发生了改变，这种变化被ISFET探测到了。图马左喜出望外，立即申请了专利。很快，DNA电子公司研制出了基于这个半导体技术的DNA分析仪SNP-DR。这引起了罗森博格的浓厚兴趣，并于2007年在伦敦拜访了图马左。两位创业者一拍即合，他们分别虫各自不同的、且互补的角度来看待新一代测序技术：罗森博格精通生物化学，而图马左则来自于半导体领域。经过两年多的谈判，罗森博格获得了图马左的许可，将半导体技术用于设计新一代测序仪。
个人化基因测序仪
2010年2月，罗森博格的Ion Torrent公司推出了世界上第一台半导体测序仪——PGM，这也是首台“椅上型”（benchtop）测序仪。PGM的测序原理不同于此前的测序技术。测序仪的半导体芯片上有微孔，每个微孔里都装着一个待测的单链DNA模板和一个DNA聚合酶。测序过程中，含有任意一种碱基的dNTP溶液会被加入微孔中。如果所加入的dNTP与模板链上的碱基匹配，就会与之结合，释放氢离子，降低溶液的pH值。pH值的变化会被ISFET传感器探测到。因此，如果加入的是含有腺嘌呤（A）的溶液，那么传感器就能确定，
PMG之父：基因创业企业家乔纳森•罗森伯格（Jonathan Rothberg）创建过4家与遗传学相关的企业。他深信，基因测序今后会影响到人类生活的各方面，正如上世纪是物理学时代一样，本世纪是生物学世纪，治疗癌症是短期内的最大应用市场，市场总规模可达到400亿美元。
与腺嘌呤发生反应的是哪些微孔里的待测DNA，继而根据碱基配对原则，断定待测DNA上的碱基是胸腺嘧啶（T）。而那些没有结合到模板的dNTP就会被清洗掉，开始下一轮测序。相比CE测序技术，这样的测序过程所用的时间大大缩短，因为不需要通过计算机的后期分析来断定所测的碱基。同时，测序所使用的微芯片的价格，也远低于CE所使用的激光设备。
PGM成为当时世界上体积最小、检测成本最低的产品。它可在2小时之内，以很高的精度解读出1000万个基因代码符号（letters of genetic code）。并且，与当时使用大型电脑和服务器的DNA扫描设备不同，PGM可置于办公桌上，且售价仅5万美元，是当前具有同类功能仪器的十分之一。这是史上首次科学家个人、社区医院和高校能够担负起的仪器。美国Life Technologies公司迅速在2010年10月以3.75亿美元价格抢先收购了Ion Torrent，并开始批量生产PGM和进行积极的市场推广活动。
整个世界都被PGM所昭示出的未来所震动了。2010年12月《福布斯》杂志的封面标题即为“基因测序科技突飞猛进”，认为这项发明可能会在医药、食品、能源，甚至消费产品上引起一场革命，由此形成规模可达1000亿美元的科技市场。PGM的优越性能很快也得到了研究人员的认可。美国玛氏集团的全球研发主管、首席科学家霍华德•夏皮罗（Howard Shapiro）博士主持了美国农业部、玛氏集团和IBM的一个联合公益项目，对科特迪瓦的一个可可树品种进行了全基因组测序，并把测序结果对外公布。他在演讲时经常要展示PGM测序仪的芯片：“我认为只有PGM才能让我们在这么短的时间、这么有限的预算之内，完成了对可可树基因的测序，而且它还具有很高的准确率。”2011年年初，PGM已经能达到每50个碱基99.6%，每一轮可测100Mb（1Mb即100万个碱基对）。
今年年初，Life公司再接再厉推出了功能更为强健的Ion Proton测序仪，和Ion PMG定位于小型基因组、基因合集、基因表达、ChIP-SEQ的快速廉价检测所不同的是，Ion Proton则关注的是人类基因组、人类外显子组、全转录组测序，“用它来检测全基因组测序，时间和成本的经济效能就如同PGM对病毒的基因测序一样高效，而且行之有效”，Life公司大中华区基因分析事业部高级总监戴尔•帕特森（Dale Patterson）说，“这两款产品是为了适应不同靶标、应用领域及客户需求而研发的”。Ion Proton测序仪仅需1天便可完成个人完整基因组测序，而费用仅为1000美元。
一直以来，医学界都希望能对个人做全基因组测序从而根据每个人在遗传上的差异来进行有针对性的治疗，以大大提高癌症和先天罕见病等目前的棘手病症的治愈率。而这一块市场，也被认为是Ion Proton所代表的小型、快捷、平价的基因测序仪在短期内最大的应用市场，所以，此类基因测序仪又被称为“个人化测序仪”，这是实现个人化医疗的第一步。
抢占未来市场
就在Life公司的半导体测序仪气势汹汹地抢占市场份额的时候，他们在测序行业的老对手IIIumina公司也在今年年初推出了自己的椅上型测序仪——Miseq。与PGM相比，Miseq最大的优势是它可以把测序样品的准备环节与测序过程整合到一起，大大缩短了测序所需的时间，用户也不用另外购买准备测序样品的设备，节省一大笔开支。此外，Miseq所使用的技术在IIIumina而此前推出的，大型的二代测序仪Hiseq中已经投入使用，客户对这个技术已经十分熟悉了。
“从一开始，MiSeq就是以新一代个人化测序仪的定位来设计的。这是第一台真正让新一代测序技术走进每个人、每个实验室的测序仪。Miseq的设计意图追求的是效率：它可以在一个8小时的工作日内，从DNA开始分析一个样本，并获得最终结果。”IIumina公司亚太区总裁蒂姆•奥尔宾（Tim Orpin）指出，“在这样的短时间内就完成了一个完整的工作流程。之所以能做到这点，部分是因为我们拥有最新的两小时Nextera样品预处理技术，这是我们在收购Epicentre Biotechnologies公司时获得的。至于这个测序系统有多迅速，具体地说，MiSeq的一个测序循环只要5分钟。”然后是把这些性能都整合到一个小型的系统中去：从反应簇生成到对读测序读取和索引，以及后续的数据分析都由一个设备来完成，从建文库到出结果报告是一个衔接流畅的过程。“MiSeq的设计理念就是要做性价比最高的新一代个人化测序仪。”
除了便于使用和高质量的数据之外，MiSeq现在还让研究人员或者医生们能够为疾病相关基因或癌症标靶设计测序芯片，这对于使用之前的CE技术来说在经济效益上是不可想象的。这些特点，让Miseq对PGM形成了严峻的挑战，而其售价也与PGM相仿。
面对挑战，Life公司的策略是让测序速度不断升级。“我们每半年做一次升级，2011年就做了三次升级，每一次升级它的速度都增加了10倍。2012年也会按照这个步伐继续进行，到年底的时候，只要一个芯片就能够实现全基因组排序。”Life公司首席运营官马克•史蒂文森（Mark Stevenson）信心慢慢，“历史趋势是站在我们这边的，大家所熟知的半导体行业的‘摩尔定律’指出每两年达到翻一番的进步，但是在基因测序领域我们的速度是每两年4倍的进步。然而速度不是发展的唯一因素，我们在快速更新的过程中还需要应对并存的其它问题，诸如数据的存储、处理等。”
中国的诱惑
2012年4月，专注于生物技术行业的市场调研公司DeciBio针对基因测序行业发布了一份报告，认为全球基因测序市场在未来5年内将以6%的速度增长，在2016年，市值将达到89亿美元；个人化测序的市场将在这一时期内以16%的速度，到2016年市值达到22亿美元。
对于个人化测序在中国市场上的前景，Life公司和IIIumina公司都十分乐观。Life公司大中华区高级市场总监刘京雪博士介绍说，Life非常看好中国的市场前景，公司总部在2011年初已将大中华区提升为与美国、欧洲、亚太及日本区平级的四大区之一就是明显的例证。他还表示Life公司将继续努力与中国医学界及有关政府部门紧密合作，争取把先进的基因测序技术介绍大中国来，为中国的医疗与医改事业做出贡献。“我们把中国作为一个很大的市场来对待，下一步也考虑中国的西部建设机构，”Life大中华区总裁西德哈萨•卡蒂亚（Siddhartha Kadia）博士指出，史蒂文森也认同他的观点：“因为中国现在有一个好处：中国整个生物产业发展的未来在道路、路线已经确定了，这是一个很好的方向，这个方向很重要。而在美国，生物产业的发展方向由于政治原因还并不明朗。从这个角度来讲，中国也是潜力巨大。
IIIumina公司也同样加紧在中国的布局。“我们打算在中国大力推广MiSeq，因为我们觉得这个系统对于各种不同的中国客户都很适合。我们会进行许多研讨会以及培训，让用户更容易上手来是使用这个技术。我们还会和我们的经销商一起，确保让中国每个地区的客户都能完全地了解MiSeq。”奥尔宾说“我们会与用户一起开发专门针对中国的基因芯片，为服务提供更高的附加值。”
虽然目前个人化基因测序仪更多地还是用于科研，但对它在临床上的应用，是Life公司和IIIumina公司当下都在积极推进的最重要的方向。 Life在2011年7月就PGM的临床应用，向FDA提交了申请。IIIumina公司也紧随其后：“我们正在申请FDA对MiSeq的审批。MiSeq在设计过程中就考虑到了特定的临床应用环境，我们相信这个系统的许多特征会有助于它获得FDA的批准。”
很多年前，当罗森博格和图马左焦急地守在自己孩子的病床前时，所望眼欲穿的这项应用，直接成为了他们发明个人化基因测序的动机；现在，它终于可以从动机变为结果了。
