我们何时能够实现“基因测序自由”？ | 高榕「未来」
对话中国首款量产纳米孔基因测序仪缔造者。
基因作为生命的"密码本"，它们藏在十亿分之一米的世界里，人类一直努力尝试探索这个纳米级的微观世界。1953年，DNA双螺旋结构被发现，揭示了生物DNA中A、T、C、G的特定配对结构与复制机制，证明DNA作为生命的遗传物质，蕴含着全部的遗传密码和关乎生老病死的秘密。自此，DNA测序就成为解读生命遗传信息、研究生命科学的基础。
本世纪初，第一个个人全基因组测序耗费13年时间，花费30亿美元。想要对生命规律的认知达到足够的深度和精度，我们需要足够多的基因数据量，以构建庞大的生命信息数据库。也因此，**基因测序仪是基因测序领域最核心的基础工具和产业链最关键的上游。**只有推动基因测序仪在测序速度、成本、准确率上都有长足的进步，让基因测序变得"触手可及"，基因技术才有可能造福每个人。而基因测序仪的技术壁垒极高，一台仪器，需要整合生物化学、生物芯片、电子电路、人工智能等多个学科前沿技术。齐碳科技联合创始人、首席科学家白净卫博士，作为国内纳米孔单分子基因测序领域的领军者之一，他的学界和产业经历，就围绕上述方向展开。今天，齐碳科技发布了国内首台全自主研发且即将量产的纳米孔基因测序仪QNome-3841及配套芯片和试剂，同时宣布其位于成都天府国际生物城的生产基地竣工，带领纳米孔基因测序步入国产化时代。
高榕「未来」系列之一，让我们一同从白净卫博士的讲述中，串联起基因测序仪不断寻找最优解的探索历程。
以下为与白净卫博士的对话：
Q：过往您在学界和产业界做了哪些积累，并指引您进入纳米孔基因测序仪领域？
白净卫： 近20年，基因技术实现了突飞猛进的发展。我也有幸在学习和工作中不断积累，最终进入到纳米孔基因测序仪领域。2002年我进入北大化学院读本科，大一下半学期进入实验室，跟随齐利民教授学习纳米材料的制程和表征。从那时起，我就开始对纳米科学燃起了兴趣。**纳米是一个尺度的概念，在这一尺度下材料会有非常多微妙的变化和奇妙的性质。在纳米层面去做研究非常有趣，很多时候需要依赖我们的想象力。**当然这里的想象不是在科幻世界里天马行空，而是要基于现实做推理，在大脑中去构建，并把不确定性和随机性因素考虑进来。2006年，我到了加州大学洛杉矶分校材料学院，有幸得到黄昱、段镶锋两位老师的悉心指导和培养，跟随他们学习有关纳米材料、表征和器件的知识。两位老师是夫妻，被誉为纳米界的"神雕侠侣"，在Science、Nature发表过多篇研究成果。当时，我们基于二维石墨烯纳米材料做了很多器件方面的研究，并制成了彼时工作频率最高的石墨烯纳米器件。2011年博士毕业后，我加入IBM沃森研究中心的材料研究实验室（MRL），在规模化半导体工艺的基础上设计前沿的纳米器件，其中一个应用就是固态纳米孔测序仪。在IBM期间是我第一次在工业界做研究，也理解了什么是产品、特别是规模化生产需要有怎样的要求。2013年我加入Illumina的研究团队。为了达成提升测序仪performance的目标，在技术层面上我也进行了更多的拓展，包括分子生物学、核酸生化、蛋白工程，也对光学仪器有了一定理解。过程中我也有一点非常深刻的体会，就是有一个既定的目标，那么背后不管是什么技术，都可以去研究、引进和生产。**这也影响我今天在创业时的做法，即不能只局限于某个单点的突破，而是要始终思考是不是奔着测序这一终极目标，站在更高的维度去进行技术的整合。**回国联合创办齐碳科技是在2016年，专注于纳米孔单分子基因测序仪的自主研发。一方面是看到了技术的进步，同时也看到市场需求、人才基础等条件越来越成熟。
Q：回顾整个基因测序技术的发展历程，经历了怎样的迭代和进步？
白净卫：2000年初，主流的基因测序采取的是Sanger测序法，并逐步演化成一代测序。例如Applied Biosystems（ABI）公司推出的自动化毛细管电泳测序仪。一代测序具备较长读长和较高准确率，但通量低、成本高，今天主要应用在亲子鉴定、遗传病理检测等方面。2006年，被认为是二代测序的元年。彼时，基因测序领域的玩家（如Illumina、Roche公司的454、Complete Genomics等），通过几种不同的策略，实现了在一个芯片上将单个分子进行扩增、形成碱基簇。大家想到基因测序，直觉会认为是一根DNA去读，但这样信号是非常微弱的，需要传感器有质的提升才能做到。二代测序将一个分子的信号变成很多分子的信号聚集在一起，并固定在芯片上进行检测。因此，二代测序的第一个突破是实现了高通量。二代测序的另一个突破是，随着生化反应效率不断提升，包括从分子层面、酶学层面的优化，能够支持一万个分子同步给出同一个碱基的信号。此外，仪器方面的优化、光学组装方面对新技术的利用，都帮助不断提升测序准确率。从2006年到2014年，二代测序技术持续进步，与此同时，测序的价格也在持续下降。直到2014年，Illumina第一次实现了"千元基因组"，即1000美金可以测出一个人的基因组，大概有90到100G的数据，彼时是一个真正的里程碑，标志着个人基因组时代的来临。要知道，在一代测序时代，一个人测序的花费是几千万美金，而普通老百姓是不可能有这个机会去测序的。直到今天，我们对于基因的奥秘都没有完全探究清楚，例如智商、性格和基因是否有关系。原因就在于今天基因测序还没有实现真正的"白菜价"。只有基因测序的成本足够低，大家才会海量地去做基因测序、海量地去做数据分析。2018年左右，三代测序开始进入临床。实际上，早在2010年前后，以单分子、长读长为代表的三代测序就出现了。但刚出现的时候并没有受到重视，因为从通量、准确率、成本的角度看都存在比较大的短板。但其一出现就解决了二代测序中一个没有解决的问题——结构基因组的问题。一根DNA展开以后有近2米长，二代测序并不是像一根毛线一样从头读到尾，而是切成若干小片段，每根片段重复读，再通过复杂的生物信息方法拼接出来。但这样的做法会有非常多的遗漏，例如有大片段缺失的时候无法找到点位，或者有重复片段无法精准判断，二代测序也测不准端粒，还有很多复杂结构的信息也非常困难。植物基因组里，比如小麦、玉米、马铃薯等多倍体高产作物，其基因组的复杂程度很高，长读长测序能更高效地完成基因组组装。所以三代测序刚出现的时候，痛点很明显，但也是有需求的。直到2018年左右，三代测序才开始普及。就如同很多技术出现，不是刚开始就呈现爆发式增长，而是从萌芽不断发展，直到一个阈值，破土、受到广泛的关注。纳米孔测序也被称之为四代测序，实际上三代和四代是一个比较模糊的分代。纳米孔测序和单分子实时荧光测序最早都被称为三代测序，因为都是单分子连续测序。后来为了区分电学测序和光学测序，以及区分纳米孔平台和光学平台，将纳米孔测序称之为四代测序。**纳米孔单分子基因测序技术有着读长更长、速度更快、成本更低、便携小巧等显著特点，能更精准更快速地解码DNA。**测序仪甚至可以做成手掌大小，也因此打开了所有人对测序领域的预期，让基因测序进入移动时代。
Q：目前齐碳的基因测序技术，在全球处于怎样的梯队？
白净卫： 经过四年多时间的潜心研发，我们已经于去年成功发布国内首台纳米孔基因测序仪QNome-9604，填补了我们国家四代测序仪自主研发的技术空白；今天则发布了国内首台全自主研发且即将量产的纳米孔基因测序仪QNome-3841，小时可产出1-1.5Gb数据，单次准确率达90%，一致性准确率（50x）达99.9%，并且我们已使用这款设备完成了读长大于300Kb的测序实验。从全球层面来看，单分子基因测序仪领域，第一梯队是已经有产品上市的牛津纳米孔和Pacific Biosciences。齐碳科技的产品已经可以走向市场，对比其他处于原理验证和工程机阶段的企业，我们可以说处于较为领先的位置。
Q：纳米孔基因测序技术有哪些难点？
白净卫： 先介绍一下齐碳纳米孔基因测序仪的技术原理。通过电场力驱动单链核酸分子穿过纳米尺寸的蛋白孔道，由于不同碱基通过纳米孔道时产生了不同阻断程度和阻断时间的电流信号，由此可根据电流信号识别每条核酸分子上的碱基信息，实现对单链核酸分子的测序。
大家可以想象，如果把一个线性分子看成一条磁带，不同碱基的段落有不同的颜色。但这个分子非常小，直径不到1纳米，分子拉直情况下相邻碱基的间隔只有0.7-0.9纳米，双链情况下只有0.3纳米，所以需要连续捕捉信息的变化是非常非常困难的。再做一个比喻，如果细胞是地球的话，那么分子是地球上的一颗小石头。 面对如此微小的磁带，读取的磁头就需要非常精确，从制程角度来说非常困难。目前人类技术上能够做到的，就是通过蛋白质自组装的方式来实现，那么我们就需要找到合适的蛋白质结构。受益于最近二三十年结构生物学的发展，我们得以从海量数据库里找到合适的蛋白，甚至我们自己去设计这样的蛋白。 此外，我们测序的分子，绝不是老老实实待在某个固定位置的。温度在绝对零度以上，分子都在拼命热运动，就会带来非常多的不确定性、误差甚至是错误。这个分子"不老实"到什么程度？就相当于一颗小石头在北京市的范围以非常快的速度到处乱跑。 我们需要对分子进行控制，并对运动进行精准地操控、监控和精准测量，因此难度是非常高的，这意味着在每一次测量的背后，都需要在生化、芯片设计与工程实现上大量投入才能做到。
Q：过去5年，齐碳在研发纳米孔基因测序仪时，突破了哪些考验？
白净卫： 第一个从0到1的突破，是我们在成立的第一年，在单个孔上拿到了测序信号，这也是真正在中国这片土地上首次实现纳米孔单分子测序。不是在大分子层面的分辨，而是真正实现了对DNA序列上碱基的分辨。
第二个突破，是我们实现了从单孔到芯片测序的迈进。能够在芯片上进行测序，说明测序已经基于器件而存在，通过芯片工艺的优化，就可以实现更大规模的测序。
第三个突破，是我们实现从原理机到工程机，再到产品机的递进。每个技术单点的突破，必须要在以产品形式出现的整体系统上被整合和兼容，才是有意义的。
Q：未来齐碳还将在哪些方向去进一步突破？
白净卫： 目前纳米孔测序仪平台还有几个关键问题需要被攻坚，也是未来5年我们致力去解决的。第一，稳定性；第二，准确率和通量进一步提升，可以和二代测序仪比肩甚至赶超，在一些关键指标上可以进行角力；第三，从用户角度如何提升平台的易用性，让即时检测的基因测序技术走进千家万户。
目前所有医疗器械都在向POCT（即时检验，point-of-care testing）方向发展，进入基层、家庭医院、床旁、门诊等等。我们认为，纳米孔基因测序仪是有这个潜力的，因此需要进一步地进行产品集成，打造自动化、小型化的产品。**我们希望未来基因测序仪是一个盒子，放一个样本进去，一键就能生成结果。**到那个时候，基因测序的应用会打破临床医疗、刑侦安防、科学研究、环境监测等B端场景，或许可以真正走进每个人的家庭，实时为个人的健康保驾护航。
过去5年，我们的重点在技术攻坚，今天我们正在从以技术为核心向以产品为核心转变；再进一步，我们希望以用户为中心，以底层技术为基础，去重构产品开发思路。
Q：如何管理一支跨学科的团队？
白净卫： 齐碳团队有来自多种不同学科背景的专家。在这样的团队中，我们也总结了让团队更高效运行的几点经验。首先，需要核心创始团队有综合性的思维和至少交叉2-3个学科领域的知识，让不同背景的人能够相互理解，让不同学科渐渐磨合。
第二点非常重要，我们要找到的人一定要有这样的信念，相信纳米孔基因测序仪这件事，并非常想把这件事做成。在这样的前提下，所有的矛盾都可以调和。
当然，在齐碳成长的过程中，我们一直在学习和适应变化。刚创立时团队仅有几个人，每个人都必须撑起一片天，个人作战阶段的管理是相对粗暴简单的。而今天我们已有200多人，进入了团队作战阶段，我们需要调动所有人的积极性，那么系统化管理和透明化的制度，相比人治就会更有效果。学术界很多情况下的管理更多靠人治；企业的管理，尤其是当企业发展到一定规模，就需要在制度和文化下功夫。
Q：从做科研，到进入产业，背后底层的动力是什么？
白净卫： 我本身很喜欢科研工作，目前我主要关注的是如何辅助科学家们去研究科学。很多科学家有明确的研究方向，一旦技术遇到难点，如何突破是很大的问题。而很多情况下是现实需求驱动技术发展。**所以我的动力是通过拆解产品及市场需求，帮助科学家们多条路寻找技术突破口。**例如近期单细胞测序技术就对临床医学有很大的帮助。
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