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基因测序原理(「深度」基因测序的硬件往事)

新闻记者 | 林腾

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1986年,一位名字叫做杜尔贝科的美国科学家惊呆了医疗界。他发布了一篇名字叫做《癌病探索的大转折——人类基因组的全序列分析》文章内容,第一次提出了从DNA视角科学研究癌病,攻破癌症的新理念。

在20个世纪前后左右,好奇的人们已经在探索未知的路上开展了两大科学工程,其中一个称为“曼哈顿核弹计划”,另一个乃是大伙儿耳熟能详的“强仕登月计划”。

在杜尔贝科发表的这篇论文以往4年的时间,英国国立大学环境卫生研究所和能源部门宣布了第三项人类科学工程项目:“人类基因组计划”。

这一计划将测量构成人类染色体所包含的核苷酸序列,进而制作人类基因组图普,最终做到破解人们遗传物质的根本目的。

跟核弹和登月计划不同的英文,人类基因组计划是一项海外交叉学科的科学探究工程项目,由于人类种族多种多样,遍及全世界,只靠国外一己之力无法执行。英、日、法、德等国家依次添加。

在国外,一名字叫做福莱特利(Jay Flatly)年轻人变成了“人类基因组计划”的一员。8年以后,他被一家刚股权融资不久的基因公司招入麾下。

时迄今日,这家公司已是全世界市场占有率较大的基因测序仪制造公司。企业名字叫Illumina,而这家公司的股东会理事恰好是福莱特利。

同是在90时期,有一位比福莱特利小一岁的中国研究者在“人类基因组计划”中跳了出来,他和几个科学家一起,代表中国承担了人类基因组计划的1%工作中,即人们3号性染色体短臂一侧约30cM区域内的测序与分析每日任务。

我国也成为“人类基因组计划”的第六个、都是最后一个参加国,是唯一的发达国家。

这名研究者称为汪建,基本上跟Illumina同一时间,汪建等在1999年建立了中国第一家基因公司——华大遗传基因(下称华大集团公司)。

2016年4月,华大属下测序机器设备业务板块——深圳市华大智能制造创立,后面一种也在今天变成了测序仪领域的明星公司。

在 “人类基因组计划”完成后的20年之后,华大和Illumina都站稳了遗传基因领域的专业技术和商业之巅。一家在我国被认为“遗传基因界腾讯官方”,另外一家乃是一直以来遗传基因领域的主宰。

但福莱特利和汪建很有可能都不曾想起,以前联合为揭露性命奥秘作出贡献的两位专家,会到若干年后兵戎相见。

2019年的三个月时间内,这两家企业已经在专利战上拥有超出5次较量。4月至6月,Illumina先是在德国、荷兰部分地区对华大智能制造进行专利诉讼。5月,华大智能制造即在国外提起诉讼Illumina专利侵权。

在较早先前,两家企业已经在遗传基因测序仪领域进行着激烈的“赛马会”。2018年10月,华大智能制造发布自主研发的超高通量测序遗传基因测序仪——“DNBSEQ-T7”(公布时产品名字MGISEQ-T7)。

这两台称得上“超强性命电子计算机”日产出率数据信息达6Tb,算得上现阶段全世界日生产量最强遗传基因测序仪。

另一方面,2018年年底,Illumina耗资12亿美金回收PacBio,此外,Illumina公司MiSeq?Dx遗传基因测序仪得到国家药监局的准许发售。

这也是遗传基因测序机器设备领域第一次这般聚集、有针对性的两家企业的专业技术交战。遗传基因测序仪领域的冠军,已经揭开了一场迄今为止最凶猛的技术性对决。

测序仪的十五年旧事

“走上月球和治好癌病,大家觉得哪一个比较容易完成?”上个世纪美国媒体的一次民意调查中,被问到这个问题的多数人都会回应,癌病很有可能治好,走上月球根本不可能。

但是时迄今日,阿波罗号宇宙飞船早已登月50年,人们依然奋斗在治好癌症的旅途中。

今日,微生物医疗界对癌症的其中一个关键的共识是:癌病是一类基因病,绝大多数癌病都是由于基因的转变(基因突变)所引起的。可以这么说,我们攻破癌病的第一步便是破解基因序列。

但本世纪初,第一个本人全基因组测序消耗13年,耗费30亿美金才得以制作进行,也基因科技无法迅速提升和普及化的重要原因。

成本费、速率、品质是遗传基因测序领域的三大要旨。搞好之上三点,才可能获得足够多的基因数据量,以搭建庞大数据库系统,进一步研究某一基因的基因变异所代表的准确含意。

也就是说,癌症的密秘,身体生死轮回的秘密,万物复苏的秘密都可控于生命的遗传密码——基因,但是更高质量、更快速和更成本低获得这些数据,完成对生命的认知和操控,所需要的关键专用工具便是遗传基因测序仪。

有一位医药学领域研究人士表示,仅有测序仪不断迭代促进测序成本下降,全部基因科技产业链才可能走入群众诊疗领域,从而有着商业服务市场前景。

一位遗传基因领域的研发人士对页面电视记者说:由于测序仪生产制造必须融合光、机、电、液、生物化学、处理芯片、优化算法等众多前沿学科水平,并且需要经过长期磨合期。因而,遗传基因测序仪技术要求非常高。

在“人类基因组计划”逐渐以后的15年来,涌现了很多投身于测序仪制造出来的企业,在技术和商业的更替中,这些公司也不断历经波动、消退、竞合。

最初市场领先者是美国应用生物系统公司(ABI),这家公司在上世纪80年代中期制定了第一台自动化技术平板电脑莹光测序仪,协助生物研究进入全自动测序的时代。但不久后,它领先水平却被超越了。

测序仪的另一个的浪潮出现在了2005年,几个促进行业格局衍变并危害至今的企业逐渐初露锋芒。

这一年,第一台高通量测序遗传基因测序仪由454企业发布,这也是第一个根据焦磷酸测序基本原理的高通量测序基因测序系统软件。接着,罗氏公司以1.55亿美金收购了454企业,并且在2006年推出了更新的GS FLX测序系统软件。

同为在2005年,发生一家称为Complete Genomics的企业(通称CG),具有自主生产测序仪的水平,并有测序仪商品。在日后,这家公司对于中国测序仪的发展趋势拥有极为重要的实际意义。

第二年,Solexa公司也发布了自己的测序仪系统软件——Genome Analyzer,通称GA。2007年,Illumina公司以6亿美元的高价收购了Solexa,使GA得到商业化,此后进到迅速发展过程。

2008年,ABI与Invitrogen合拼,建立了Life Technologies。并且在2年后推出了Ion PGM桌面型测序,但在2013年,这家公司却被Thermo Fisher所回收。

在诸多西方公司的努力下,遗传基因测序成本也开始持续下降。根据测序设备和技术的迭代更新,明显减少测序成本费并从而获得市场优势,也成为遗传基因测序领域众多竞合、企业并购的背后逻辑性。

一个数字是,2010年,全基因组测序成本已经从亿人民币成本逐渐下降到了5000美金。2011年,进一步降到4000美金。

针对这时远在我国的华大遗传基因而言,在过去的很长一段时间,其技术积累都是在分子生物学研究与遗传基因测序关键技术,而非上下游测序仪。

2000年,汪建与他的团队第一次被大家所了解。时任美国总统尼克松、英国总统布莱尔公布人类基因组工作中架构图制作进行之际,非常感谢了中国的科学家。随后华大独立运行、独立完成的第一个工程项目:稻谷基因。

令华大更为名声鹊要在3年之后。在sars席卷,用30小时就测到了SARS病毒编码序列,用96小时作出了SARS检测试剂酶联免疫检测试剂盒。

2007年,华大从中国科学院管理体系分离出来,南进入户深圳。同在这一年,美企Illumina根据边生成边测序方法的高通量测序测序仪逐渐投入市场,基因科技快速迭代更新提升,国际性科技竞争越来越激烈。

做上下游硬件配置或是中上游运用?挑选测序仪或是测序服务项目?5年光阴,于遗传基因领域奋战的企业们在那个年代现在开始选择了。

测序仪战争的前夕

时长赶到2010年。

印证了超十年的发展趋势,华大已经形成了比较完善的业务流程,企业最主要的领域都集中在产业的中上游,即测序业务流程。但上下游测序机器设备则基本上处在空白地带。

欠缺测序仪的华大在那个年代面临艰难的境况。遗传基因测序服务业务已经大幅上升,受限于测序服务平台能力有限,华大迫不得已必须购买大量测序仪,再次“武装力量”测序服务平台。

那时候全世界比较好的测序仪制造公司之一就是Illumina。Illumina的仪器设备特性最好,新式测序仪既保存了边生成边测序的方式,也增加了电子光学和控制系统设计,这让华大创办人汪建甚为动心。

最后,为了能选购Illumina的仪器设备,华大和汪建离开了一步振动行业“险棋”。那时候,华大资金有限,便向我国开发银行提交了15亿美元的银行信贷,而其中花费了1亿美金选购128台Illumina制造的HiSeq2000测序仪,每台的市价为69万美金上下,等同于一台顶级跑车价格。

顶着外部的质疑,华大斥巨资购买了Illumina的仪器设备。那时候针对这个举动的质疑之一是,测序技术性更替快速,仪器设备价钱会下降迅速,是否有必要选购那么几台、这般昂贵的测序仪;怀疑之二,是否真的有这么大的销售市场,来支撑这128台测序仪的运行。

但最终从效果来说,华大赌对了。

在买进机器设备以后,这其中的88台仪器设备布署在华大中国香港核心,20台放到深圳总部,别的放到全国各地试验室,为全球客户提供服务项目。

2010年,华大的营业收入提升十亿。2009年,这一数字还只是3.43亿人民币。运用这128台测序仪,华大一跃成为全球最大分子生物学科研机构。

此项协作却让Illumina收获颇丰。一个数据是,华大的订单是Illumina目前为止最大的一个每笔买卖,占据着Illumina2010年所有产量的70%。

这也许是华大跟Illumina的唯一又很短暂的蜜月期,好景不常,随后的2年,华大跟Illumina的关联逐渐持续下降。

一位华大的高管对页面电视记者说,本来Illumina 出售给华大的设备价钱就比北美地区的市场价高于一倍,但后面出售给华大的实验试剂,仍持续涨价,每一年的上涨幅度大约为4%,并且到货时间不确定,损坏的仪器设备也未及时地检修,严重危害华大与中下游组织的合作和科研进度。

此外,在华大提前准备按国家规定的,根据购买的Illumina设备向国家监管部门申请办理遗传基因测序设备注册审核时,遭到Illumina的消沉看待。

有遗传基因行业资深人士对页面电视记者剖析,Illumina这么做的重要原因取决于,华大已经在中上游测序服务项目领域占据着比较大的份额,Illumina做为上游客户,希望通过设备和技术要求,“垄断性“全部产业链条的话语权,而消沉看待这名大顾客,基础是为了能抵制华大的迅速发展。

2011年至2012年,因上下游机器设备受到限制,华大的测序服务业务遭遇到了从未有过的摩擦阻力。遭遇到“受制于人”的始料未及,被按住“暂停键”的中国遗传基因测序仪开发设计被再度运行。

国内测序仪曙光初现

在处理芯片领域,上下游受到限制的“受制于人”状况习以为常。例如最近所发生的日本终止给韩供货原料,却让韩国代理甚为处于被动。

遗传基因领域同样如此。汪建等一清二楚地看见了技术要求所带来的威协,但同时存有的分歧取决于,摆脱困境的路径艰辛且狭小:要不从零开始做产品研发,要不与有着技术性产权的上下游生产商展开合作。

根据自主生产仪器设备是华大首先考虑的形式。但因为测序仪生产制造归属于资产聚集和技术密集领域,需要长时间的技术积累,自主研发难度太大。

因而委屈求全,回收变成唯一有效且实际提升途径。但收购的标底在何处呢?

在那个年代,除开Illumina,测序仪全产业链里的企业并不多,Complete Genomics、Thermo fisher、罗式等算得上测序仪领域的优质企业。

没多久,现在机会来了。

2012年,华大拿到了一家Complete Genomics(下称CG)的企业的回收邀请信。这是一家坐落于美国硅谷的企业,位于美国西雅图山景城。

尽管Illumina已是明星公司,但CG在技术水平领域,也颇为强势。CG成立时间2005年,具有自主生产测序仪的水平,并有测序仪产品,但它只提供测序服务,不售卖测序仪。在它的创始人看来,这能降低科研工作者在设备上的经费和时间投入,把更多的时间用在研究本身。

《科学》杂志曾于2009年刊登了CG、哈佛医学院和华盛顿大学的研究人员的科研成果,他们完整地测序和分析了三个人的全基因组序列,在保证精度的同时,成功地将个人基因组测序的成本降至 1726 美元。

其中的奥秘便是CG独特的联合探针锚定聚合等关键性技术,一次测序每台机器能获得1000Gb的数据。

虽然技术先进,但CG的商业运营并不是太顺畅,作为纳斯达克上市公司,CG在产品商业化上面临来自投资人与产业环境的双重压力。

在资金短缺的情况下,CG于当年6月宣布寻求战略合作和并购买家。在华大之外,Illumina等厂商均表达了收购意愿。

“CG与华大的目标相近,优势互补。华大能获得测序仪专利技术,比如联合探针锚定聚合的关键性技术,还能摆脱 Illumina 对其发展的束缚,获得主动权,降低测序成本”,一名基因行业高层人士对界面新闻记者表示。

在CG的创始人Radoje Drmanac博士看来,Illumina主要出售测序工具。相较而言,华大才是数十家表达收购意愿的机构中最完美的合作者。华大不仅会沿用和大力发展CG独特的测序技术,还可以为CG提供从基因组到蛋白质组学的整体解决方案,这是CG想要的发展方向。

曙光初现,但即便是你情我愿的收购,中国基因测序仪的“萌芽”也需要冲破重重“铁闸”。

0.05美元之差的惊魂收购

“华大并没有100%的成功把握。”一名参与当时交易的人士对界面新闻记者说。

中国民营机构收购海外纳斯达克上市公司,并没有成功先例可循。此前华为、中兴以及中海油在美国的收购计划都因为各种阻挠而最终失败。

就在华大宣布收购CG之前,三一重工在美国投资风电站的计划刚被拒绝。这也为收购CG增添了新的压力。此次收购风险高,不确定性大,竞争者强大。

其中,竞争者Illumina便是最大的不确定性之一。同为具有测序设备生产能力的企业,Illumina是CG的竞争者, Illumina以其强大的市场占有率成为基因产业上游的领头羊。两家测序仪生产商都有自己独特的核心技术,如果Illumina拥有CG,或许会为了巩固自己的技术地位而让CG的技术在市场上消失。

在并购前夕,Illumina开始向CG提起诉讼,告它侵犯自己的专利权。这一“策略”一时让华大进退两难——如果这一侵权成立,华大看重的组合探针锚点结扎读取的关键性技术,将不再为CG所有,收购将变得毫无意义。

同时,CG随时面临破产风险,一旦CG在收购尚未完成前宣布破产而被拍卖,华大便再无收购的可能。面对这一风险,几方人员都在等待靴子的落地。

竞拍要求参与者对每股价格进行报价,价高者得。“这意味着如果报价比对手高出很多,虽然能让对手出局,但也会提高收购成本。而如果报价比对手低,出局的便是自己。”上述人士说。

华大的财务团队经过估算给出了每股3美元的建议价格,而此次收购的财务顾问花旗则给出了每股3.7美元的报价。

上述参与过交易的人士回忆,华大最终给出了3.15美元的报价,奇妙的是,这一报价最终以0.05美元的优势击败Illumina。华大与CG达成每股3.15美元的收购协议。

2013年3月18日,华大以1.17亿美元的价格完成对CG的收购。这一全额收购方式既保留了CG的完整性,也让华大获得CG的专利技术,并迅速完成技术、产业升级,得以在测序服务之外,在上游测序设备领域突破布局。

仅仅有了CG公司的专利和早期技术,并不意味着就能直接转化出量产且成功的国产基因测序仪,不然该公司也不会选择出售的道路。

当时的项目组成员,拿到CG公司的基因测序仪原型时曾感到一筹莫展:设备整体设计精密、追求硬件系统的完美,但也造就了重达两吨的个头和数千万元的售价,从定位上和产品形态上,像极了“超算”。

在华大工程师看来,追求极限的原有设计,在早期测序仪集中在少数玩家的情况下比较适合,但是在测序仪逐渐普及到许多企业客户、高校和临床医院的时候,更需要性价比高、更灵活而同样精确的“台式机”、甚至“笔记本”。

这也最终成为中国基因测序仪潜心突破的“路线图”。

在收购了CG三年之后,2016年4月,深圳华大智造科技有限公司成立,这是华大集团为了上游测序仪产业而独立设置的业务板块。

《财新》的报道指出,华大与Illumina的专利争议上,华大的测序信号放大技术正是来自于美国CG公司创始人Radoje Drmanac。

这几年来,华大智造发展迅猛,根据其官方提供的数据,成立三年来收入复合增长率超过200%,中国市场占比超过三分之一。

截至2019年9月,华大智造测序仪全球装机量突破1200台,用户超300家,遍布24个国家及地区。基于华大智造测序平台累计产出数据超28Pb,发表高水平论文超500篇。

使用国产测序仪替代进口测序仪也开始了,数据显示,2014年-2016年,华大从Illumina的采购金额分别为1.96亿元、1.99亿元和1.38亿元,在当年的采购额中分别占比40.46%,44.27%和25.93%,

而在2017年,华大对Illumina的采购额同比下降30.65%。与此对应的媒体报道是,华大表示在2017年公司内部已“完全实现自主替代”。

目前,全球只有两个国家、三个公司可以量产临床级别的高通量基因测序仪,分别是Illumina、华大智造、Thermo Fisher。

国产基因测序仪,就是在这样一个寡头之争的环境中,破局伊始,就开启了技术与专利的大战。

征途刚刚开始

“尼克松先生,你能攻克癌症。”

1969 年,拉斯克医学奖创建人玛丽·拉斯克(Mary Lasker)花了2.2万美元登了这个广告,巨大的标题几乎占了《纽约时报》的整个版面。

标题下方还写有一句话,“我们就快找到解药了,只缺把人送上月球的那种决心、资金和全盘计划”,这句话来自被公认为癌症研究教父的波士顿医生悉尼·法伯(Sidney Farber)。

在人类基因组计划中,美国每年准备斥资2亿美元投入这个项目,预计15年完成。

1984年12月,在美国犹他州阿尔塔(Alta)的一个小会议室里,美国能源部召集起来的一众遗传学顶尖科学家们正讨论如何探索美国在日本广岛投下第一颗原子弹后,居住在下风口的人口中基因突变的发生情况。但众人经过长久的讨论,也并未得出任何可行的方法。

几十年的基因探索,决心有了,资金到位,计划周全,但人类的基因仍旧没有获得完美的解答。

“人类对于自己的了解可能还只是区区1%。”一名基因行业人士对界面新闻记者说。

基因领域的人都明白,目前整个行业最需要做的,还是要想方设法让测序数据通量不断增大,价格再不断下降,这是基因科技最终能走向大众唯一、核心,且必要的条件。

测序成本的新一轮竞争已经再次开始,这一次的“主角”换成中国基因测序仪。前文提到已正式交付的国产超高通量测序仪DNBSEQ-T7,已将每Gb的测序成本降低至约5美元,这也是目前全球最低的测序成本。

技术层出不穷,测序时长不断压缩、成本逐年下降。这个行业从不乏新玩家,因循不同的技术路线, Oxford Nanopore等公司正成为市场的追赶者,一如当年的Illumina和华大。

在2018年天津达沃斯上,福莱特利与汪建见面了,他们在一场论坛上成为了嘉宾,和谐而自由地表达各自的见解,就像一对老朋友一样在场上谈笑风生。

他们俩的心理应该都明白,五十年基因探索,其实征途才刚刚开始。

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