能上太空能入叢林，為了DNA測序無處不在，基因測序儀做了哪些創新？

Illumina在2018年的摩根大會上推出了一款新的測序儀iSeq100。這是Illumina已經發布的最小的測序儀，佔地僅1平方英尺，在美國地區標價為19900美元。

相比此前發布的測序儀，這一款測序儀無論是在產品設計還是價值制定上，都將小型實驗室設為零標的對象。因此，Illumina此舉在某種從程度上是想通過小型、低成本的儀器打開這一部分實驗室的大門。

但說到小型化測序儀，最經典的還要數Oxford Nanopore的MinION。

MinION被稱為口袋測序儀，只有4英寸長，大約普通U盤大小，由一個感測器晶元，專用集成電路和一個完整的單分子感應測試所需的流控系統構成。相比目前主流的「洗衣機」測序儀，MinION顯得獨樹一幟，也更具靈活性。

MinION最初的定位是讓測序無處不在，Oxford Nanopore希望MinION能夠渠道大型測序儀去不到的地方，比如叢林、海上、甚至是太空。

上天

首先我們設想一下太空中的場景。在國際空間站內，宇航員將以每小時17000英里的速度圍繞地球公轉，他們每天要經歷15次日出和日落。

在太空中可以體驗到失重帶來的漂浮感，同時可以欣賞到非常震撼的情景，這些都是非常棒的體驗。但如果宇航員在太空中生病，那麼後果將是難以想像的。

國際空間站內沒有任何可以明確診斷疾病的設備，更沒有辦法識別出導致疾病的微生物種類。如果宇航員在太空中生病，他們只能通過向地面的醫護人員描述癥狀來推測疾病。

但這樣的方式沒有辦法確定這些疾病是細菌還是病毒或者其他東西引起的。如果能夠在太空中破譯這些感染源的基因密碼，就能識別出這些微生物，並且找到相應的治療藥物。

如果是在2014年以前，這樣的想法都是很荒謬的。因為當時的測序儀全是些大傢伙，至少冰箱或微波爐大小。光是要把這些笨重的儀器帶上太空就很費時，更別指望他們在太空中會完好無損（這些物體在太空中會呈懸浮狀態）。

2014年，隨著Oxford Nanopore掌上測序儀MinION的問世，這一切成為可能。MinION足夠小，很方便攜帶，即使在失重的情況下，宇航員也能夠很輕易的將其控制住。

2016年8月，在微重力條件下對測序儀進行測試後，NASA宇航員Kate Rubins帶著MinION進入了國際空間站。項目將事先準備好的老鼠、病毒和細菌的DNA樣本帶到了國際空間站，由 Rubins在太空中進行檢測，地麵糰隊將與之同步測序。

NASA宇航員Kate Rubins首次在太空利用MinION測序儀進行DNA測序

試驗最後，研究人員將地面與太空的測序結果進行了對比，結果顯示兩種測序完全匹配。

這就意味著，在MinION的幫助下，宇航員可以直接在繞貴飛行過程中進行遺傳物質或基因變異的檢測。NASA形容此舉開啟人類在太空活體生物基因測序全新時代。

入地

太空中都能測序，在海上和叢林中當然不是什麼難事。有人就曾計劃帶著MinION去坦尚尼亞的熱帶雨林對青蛙測序，還有人打算帶印度洋。但目前而言，MinION最大的價值還是在醫療領域。

感染性疾病一直是人類健康的重大威脅，由感染性疾病引起的死亡人數遠遠超過戰爭。比如是人類歷史上最嚴重的瘟疫黑死病。

公元542年，君士坦丁堡爆發了由鼠疫引起的「黑死病」。這場災難不僅打破了查士丁尼一世恢復帝國統一的夢想，還幾乎讓整個東羅馬帝國付之一炬。

儘管這場可怕的災難已經過去，但人類至今都沒有擺脫感染性疾病的威脅。

2015年，歷史上最大的埃博拉疫情已經進入了第二年，大約有10000多人死於疫情，感染人數則更多。科學家和衛生工作者在遏制這一流行病方面取得了重大進展，但其中一個關鍵的因素卻一直沒有取得突破：埃博拉病毒基因組的秘密。

如果能對病毒進行測序，科學家及可以更有效的開發出診斷試劑和疫苗。

通過比對來自不同地區和時間線病毒的基因組信息，他們可以確定病毒在傳染的過程中是否出現了突變，並以此制定和計劃控制措施；通過比對患者身上的病毒基因組，他們可以計算出誰感染了誰，並以此減少傳播途徑。

遺憾的是，在病毒爆發的過程中，只有少數的病毒進行了基因組測序。原因很簡單，病毒襲擊的大部分是偏遠地區。由於交通不便，大型測序儀很難進入，所有待測序樣本必須經歷漫長的運輸過程到有條件的實驗室進行分析和檢測。

生物學家 Nick Loman認為，為什麼不能像到別的辦法來進行測序呢？很明顯，MinION有用武之地。

Oxford Nanopore在2014年2月終於發起了 MinION的早期訪問計劃。Lomani是這起計劃簽署的數百名科學家之一。科學家只需支付1000美元，就能獲得一台MinION 設備和一個啟動試劑盒，包括三個流動槽、兩個試劑盒、軟體以及定期的免費耗材。

早期，由於運輸和試劑等問題，測序儀的效果並不理想。幾位科學家已經放棄使用，但Lomani依然在堅持。

2014年，Lomani在伯明翰醫院使用升級後的MinION成功完成了對沙門氏菌的測序。2015年4月，他的學生Joshua Quick和另外三名助手帶著MinION前往幾內亞。

由於交通不便，Quick一行人所帶的設備也一切從簡：三台電腦、一些化學試劑、一台離心機以及一台熱循環儀（還是盜用的同實驗室同學的）。手提箱打開後就是兩張課桌，到達幾內亞兩天後，他們開始在這個簡易的試驗台上對埃博拉病毒進行測序。

在疫情爆發過程中，MinION完美的證明了自己的價值。傳統上，科學家們需要收集數百個養樣品再一併寄出，這個過程往往會需要幾個禮拜才能收到結果。相反，MinION能夠在實地進行測序，省去了大量在路上耗費的時間。

6個月後，研究小組完成了142組埃博拉病毒的測序。

世界衛生組織在2016年宣布埃博拉疫情結束，但不久後另外的疫情又席捲了美洲地區。Loman團隊再次帶著MinION出發，他們沿著巴西沿海一路行駛，希望能夠揭示更多寨卡病毒的信息。

2016年世界衛生組織宣布埃博拉疫情結束，而另一個對手又來了——寨卡病毒。這是2016年最大的威脅，疫情蔓延到了美洲和太平洋地區。Loman帶著MinION再次踏上了旅程。

他們駕駛者小型麵包車沿著巴西沿海一路行駛，走訪了2000多公里的巴西東北部疫情區，對1300多名感染者做了基因檢測。

在人類、蚊子、和病毒基因組測序之旅中，研究人員從北美洲到巴西，一路邊走邊測序取樣，高強度地使用了多種檢測手段：人類和昆蟲RNA提取、寨卡病毒RNA-seq和cDNA測序、多方比對確認全基因組測序結果（ThermoFisher）、系統發生分析等等。

通過基因組測序了解病毒的基因組成，科學家們追蹤到了寨卡在巴西的傳播情況。這項研究結果表明，寨卡起源於巴西（拉丁美洲）境內，在美國（北美洲）發現了首例寨卡感染（2016年初）之前，寨卡就已經開始向世界各地蔓延。

此次疫情控制中，MinION在越野實地取樣中發揮了重大作用。

原理

同樣是測序儀，為什麼Oxford Nanopore就能把測序儀做的這麼小？無論是Illumina,Pacbio，還是IonProton都是100斤以上大傢伙，Oxford Nanopore是如何把產品做到這麼小的？這就需要從MinION的原理說起。

與目前主流的測序儀產品不同，MinION是第三代測序儀，它的技術原理叫做納米孔測序。

納米孔這個名字聽起來像一種孔的名字，其實還真是。這是一種微小的釘狀蛋白空心管，直徑只有幾十億分之一米。

納米孔測序的核心是一種分布著納米孔的蛋白質合成膜。把蛋白質合成膜被浸泡在導電的溶液中，當合成膜被施以電壓是，離子會在電壓的作用下流過孔徑，形成電流。

但如果某些東西（比如DNA鏈）堵住了孔，離子流動就會受到阻礙，電流則會減弱。

DNA分子骨架主要由磷酸和四種鹼基（四種鹼基分別簡稱ATCG）組成，DNA測序實際上就是測的這四種鹼基的排列順序。

這四種鹼基，每一種都能以不同的方式改變納米孔中的電流趨勢。因此，當DNA鏈條像紙條一樣通過納米孔是，通過測量電流的變化，就能破譯一條DNA鏈的序列。

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這樣的測序方式與傳統方法有很大的不同。以往的方法中，科學家們必須放大DNA分子以產生非常多的相同拷貝，再將這些拷貝分成小塊，逐個排列，最後在把支離破碎的序列組裝成一個整體。這就像在讀一本書的時候，先把它切碎，分成很多個章節，最後在粘連起來。

相比之下，納米孔測序則能夠一次讀完一本完好的書。DNA在測序過程中不需要擴增或分裂，並能夠長時間的連續測序。也正是如此，納米孔測序原理的測序儀體積總是比較小。

誕生

相傳，這個想法最初誕生於1989年，加尼佛尼亞大學的David Deamer在駕車通過5號洲際公路是找到了靈感。

後來，他和他的同時花了十幾年時間證明可以通過納米孔捕獲到DNA，並以此區分出不同的鹼基。Oxford Nanopore幾乎也花了同樣的時間來研發納米孔技術的測序儀。

牛津納米孔成立於2005年，當時公司的計劃是像其他公司一樣，生產大型的測序儀。這款大型測序儀名叫GridION ，大約有1992年的盒式磁帶錄像機大小。

做小型化設備的想法源自公司CTO Clive Brown。當是illumina的測序儀已經在市場上逐漸佔據優勢，Brown希望能夠超越他們。

Brown其實跟illumina頗有淵源。在加入Oxford Nanopore前，Brown在Solexa 從事測序儀的研發工作。

2006年，Solexa被illumina收購，但公司的決定與Brown的意願背離。於是，Brown沒有像其他同事一樣加入illumina，而是辭職進入了Oxford Nanopore。

在Solexa 的基礎上，illumina又開發出了幾款新的測序儀，他們在測序界建立了不可動搖的地位。2009年，這個龐然大物對Oxford Nanopore投資了1800萬美元。

這筆錢可以幫助Oxford Nanopore將技術商業化，但代價是illumina的CEO要進入Oxford Nanopore的董事會。

Illumina那時是以大型儀器為主，Brown希望能夠開發出與對方有區分度的產品。

MinION第一次對外公開是在2012年2月佛羅里達的一次會議上，當時它還是個概念產品。Brown只用了一頁PPT來介紹產品，引起了很大的反響。有的人認為這是個笑話，有的人認為這將給Illumina一記暴擊。

更重要的是，MinION的對外公開標誌著Oxford Nanopore的獨立化，公司在2013年正式解除了財務關係。

不過正如歷史所表明那樣，走自己的路從來都不是件容易的事，MinION的誕生也經歷坎坷。

按照原計劃，MinION本應該在2012年年底推出。但由於製造工藝的問題，Oxford Nanopore並沒有如期兌現承諾。

更糟糕的是，在無限延長的時間裡，Oxford Nanopore選擇了沉默，這也因此讓他們一度失去了業界的信任和支持。許多科學家形容MinION是人間蒸發了，公司在這一輪嘲諷中無法辯駁。

發展

在產品面世後，行業也不乏對MinION的質疑聲。儘管在靈活性和成本上佔據優勢，但MinION依然很難在與Illumina這樣的頂級對手競爭中取得優勢。

MinION可以對細菌、病毒這樣的小型基因組進行測序。但如果換成植物或者人類的基因組，MinION測序速度就太慢了。人類基因組的量級要比大腸桿菌大一千倍，小麥基因組也是大腸桿菌基因組五倍。

另外，MinION的錯誤率也讓人感到積累，早期試驗版本的錯誤率在30%左右；Loman 在對埃博拉病毒測序時，錯誤率大約有10%。而對手illumina測序儀只有0.1%的錯誤率。

這也驅使Oxford Nanopore對設備的硬體及軟體進行升級。MinION前後一共進行了近十次升級，R9版本最低錯誤率已經能降到2%。

2016年12月，牛津大學人類遺傳學中心和英國基因分析公司Genomics plc宣布，首次使用MinION完成了多個人類全基因組測序和分析。這次成功打開了大規模使用納米孔測序技術的大門。

不過，即便如此，要真正讓測序不受地點限制，Oxford Nanopore必須解決另一問題。即使測序儀能夠做到小型化，但測序之前仍然需要樣本製備，需要用到離心機、移液管等儀器；測序完成後，需要用到專門的分析軟體對獲得的「ATCG」序列進行解釋。

所以，MinION面臨了一個非常尷尬的境地，它可以被帶到任何地方，但僅有一台MinION卻什麼事情都幹不了。

升級配套服務

為此，Oxford Nanopore又開發了兩款新產品。

Oxford Nanopore在2014年10月推出了另一款測序儀PromethION。當然，他們同樣仿造發布MinION發布模式，提前一年多啟動了PromethION 訪問計劃（PromethION Access Programme PAP）為產品造勢。

相比MinION，PromethION的測序能力更強。其內部含有144000個納米孔，可以進行多個樣本的獨立測序。Oxford Nanopore還提出了一個「Run until」的概念。直到獲得足夠量的數據之前，PromethION可以一直運行。

當然，由於滿足了更強的性能，PromethION的體積比MinION要稍大一點。PromethION是一款平板式測序儀器，比iPad大一些。

但PromethION也沒有辦法解決樣本製備的問題。這個問題就像一根繩子，讓Oxford Nanopore一直沒有辦法徹底實現攜帶型測序。

2015年10月，Oxford Nanopore在倫敦舉行了London Calling用戶會議。在此次會議上，Brown發布了Oxford Nanopore的新產品。與會者形容這或許會是一次「改變遊戲規則的」發布會，就像當年蘋果發布iPhone。

這款新產品叫做Voltrax，是一種自動化樣品製備系統，能將原始的生物樣品轉化成立即可測序的形式，且過程中無需人工干預。

Voltrax是完全自動化的一次性樣本製備系統，含有6-12個樣本輸入口，並且是可編程的。Brown希望該產品能夠有效的縮短樣本製備的時間，他們的目標是10分鐘完成樣本製備。

外觀上，Oxford Nanopore同樣賦予了Voltrax便攜是的特點，產品大約只有手掌大小。更重要的是，它還能與MinION或PromethION測序儀直接對接。

Voltrax的面世標誌著Oxford Nanopore完成了從樣本製備到測序的產品線布局，當然，更大的意義在於是的MinION和PromethION真正的擺脫了外在條件的束縛，真正意義上實現實時、實地測序。

Oxford Nanopore還在2016年10月發布了概念產品SmidgION。如果說MinION給我們帶來的是全新的攜帶型測序體驗，SmidgIon則提出了更新的概念——移動測序儀。

SmidgIon比MinION更小，可以通過充電介面和耳機介面與智能手機或其他移動設備連接，非常適用於緊急情況的實時處理和現場分析。

SmidgION插到手機上運行，如果再將後續所需要分析軟體開發成APP，測序就可能真的回歸到了人人都可用的技術。

其他二代測序儀的小型化趨勢

Oxford Nanopore是目前唯一有攜帶型產品產出的企業。但除此之外，我們也可以看到其他從事大型測序儀生產的公司也正在朝著小型化設備的方向前行。

從2015年起，市場上主流的幾家測序儀生產商均陸續推出了自己的小型化台式設備：

2015年9月，ThermoFisher在收購LifeTech後首次拓展了其NGS測序儀產品線，推出了全新的IonS5系列測序儀。IonS5測序儀在幾個關鍵參數上處於IonPGM和IonProton之間，很好地填補了中端產品的空缺。

Illumina則在2016年初發布了首個小型測序儀MiniSeq，並且在2018年初又發布了另一款小型測序儀iSeq 100（這款測序儀佔地近1平方英尺）。

華大基因推出的BGISEQ-50，以及華大智造在2017年推出的兩款測序儀MGISEQ-2000 及 MGISEQ-200。

其中，一些企業或多或少是受到了Oxford Nanopore的影響，但本質原因還是順應了基因測序湧向中小實驗室的潮流。

這些小型化設備已經能夠滿足大部分測序需求，同時又可以提供HiSeq這類面向測序工廠級別的產品所不具有的靈活性。

隨著基因行業的發展和精準醫療方案的逐漸落地，個性化測序需求會成為全新的市場增長點。

儘管這些產品離攜帶型規格還相差甚遠，但想想從26.5m3的ABI prism 310，到如今微波爐大小，不得不讓人驚嘆。

這不僅讓人想到了計算機的演化史。1946年第一台計算機誕生的時候，或許誰也想不到這個大傢伙最終能縮小到手提大小。或許有一天，測序儀也不再是只能放在實驗室的高端儀器。

在測序價格下降到人們普遍可以接受的程度後，人們必將會開始思考如何讓測序的場景多元化。

如今，大型項目依然是大型計算機的天下，但在日常應用中隨處可見的是小型計算機的身影。不僅如此，攜帶型的筆記本電腦已經逐漸取代了小型的台式計算機，成為日常生活中不可或缺的娛樂、辦公工具。

而在當下看來，測序儀或許不能像計算機一樣，成為日常應用的工具。但測序儀的攜帶型創新，除了讓測序場景覆蓋到太空、叢林、海洋這些場景以外，其門檻的降低也向對基因測序有興趣的科技發燒友敞開了懷抱。

或許某一天，你也可以想測量體溫一樣，用攜帶型測序儀檢測自己測量流感的病原；或許孩子們可以帶著攜帶型測序儀去夏令營，給自己喜歡的植物測序。也許未來，測序儀將與手機連接，甚至能夠通過手機APP進行數據分析。

攜帶型概念給了測序儀更多的應用可能，或許這樣的設備真正能夠讓基因測序變得日常可見。當然，要實現這一願景，還需要這需要測序成本和數據分析能力跟得上需求。

*頭圖基於CC0協議引用。

文|周夢亞

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