曾被質疑「騙子」，如今撼動巨人，這家非典型初創公司將如何變革人類基因測序市場？

01-28

眾所周知，基因測序對疾病研究的重大意義是不言而喻的。但居高不下的成本使得基因測序一直是一項奢侈的研究，難以走入大眾的生活中。以世紀工程「人類基因組測序」為例，其總共花費了科學家們 13 年的時間和 27 億美元的資金。

同時，這也是一塊巨大的市場蛋糕。根據市場研究機構 BCC Research 預測，全球基因測序市場將以每年 20% 的速度保持高速增長，預計 2018 年將達到 117 億美元的龐大規模。

目前，占整個基因測序市場很重要一部分的測序設備市場主要由位於美國加州聖地亞哥的 Illumina 公司佔據，佔市場份額高達 70%，而且它的頂級設備價值 100 萬美元，約檔案櫃大小，重 226 公斤——用「笨重且昂貴」來描述一點不為過。

毫無疑問，如何降低基因測序的成本已經成為了開啟基因新時代的關鍵。於是，許多創業公司紛紛開始研發下一代測序技術。2005 年，454 Life Science 公司發布了 454 測序平台；2006 年，Solexa 公司發布了Genome Analyzer，AgenCourt 公司發布了 SOLiD。大公司也不甘示弱，瑞士羅氏和美國應用生物系統公司分別收購了 454 Life Science 和 AgenCourt；美國加州聖地亞哥的 Illumina 公司則買下了 Solexa3。

不過，雖然這些公司所開發的基因測序儀器越來越高效、廉價，但它們中的大多數要麼是使用熒光試劑來鑒定鹼基，要麼需要先切斷 DNA 分子然後再對 DNA 片段進行擴增，而且在操作過程中還會產生各種可能的誤差。

不曾想，一種款新的產品在 2012 年便開始顛覆整個測序設備行業，而且伴隨著的是一家初創公司的迅速崛起。這家名叫牛津納米孔科技（Oxford Nanopore）的公司在十幾年的發展過程中幾番沉浮，其艱難曲折的歷程猶如當年喬布斯一手締造的蘋果公司，時而引人矚目、衝上巔峰，時而飽受質疑、跌入谷底。

圖 | 會議現場發布產品

2012 年 2 月，在美國佛羅里達州舉行的基因組生物學技術進展大會（Advances in Genome Biology and Technology，AGBT）上，來自英國的牛津納米孔科技公司震驚了世界——他們發布了一款發布了世界上首台攜帶型基因測序儀。

相比其他競爭對手，牛津納米孔公司開發的 MinION 攜帶型設備技術比較簡單，只需將一條 DNA 單鏈穿過膜上的一個蛋白孔就能完成測序過程，而不需要像傳統的基因測序技術那樣擴增 DNA 或者使用價格昂貴的試劑。

牛津納米孔的基本原理是 MinION 中的高分子膜具有很高的電阻，膜上有微小的蛋白質納米孔。使用時，在膜的兩端施加電勢，電流就會從納米孔流過；DNA 鏈穿過納米孔時，不同的 DNA 鹼基會以不同的方式干擾流過該孔的電流。根據收集到的電流信號，就能解讀出通過納米孔的DNA 序列。

毫無疑問，這項技術提供了一條使基因測序更快、更便宜的途徑，對疾病研究的重大意義是不言而喻的——醫生能利用這一技術，把測序當成常規的檢查，如同核磁共振成像或血細胞計數檢查一樣。可以說，此項技術宣告了個性化醫療時代的來臨。

也就在當年，納米孔基因測序（Nanopore Sequencing）入選當年的《麻省理工科技評論》十大突破性技術。

圖丨MinION原理演示

然而，這款名為 MinION 的產品在面世後，就曾被批評為過早面世，甚至是「一無是處」的初代產品，在接下來的一年半中都沒有在市場上出現。似乎，牛津納米孔科技公司給人的印象總是，給出驚人的承諾結果，但又錯過承諾的時間期限。

確實，沒有一項創新是一帆風順的。在那次大會後，立刻有人提出質疑。牛津納米孔的競爭對手 Life Technologies 公司離子激流團隊的主管喬納森·羅斯伯格（Jonathan Rothberg）在接受福布斯採訪時說：「沒有任何數據，你怎麼知道這不是另一場冷核聚變騙局？」

幾個月後，牛津納米孔果然發現晶元有嚴重的設計缺陷，不得不又花了兩年時間來改進，讓「2012年底正式發布產品」的承諾化成了泡影，遭到了更多質疑。Illumina很快對這個合作夥伴喪失了信心。他們派駐牛津納米孔的董事會觀察員也認為 MinION 毫無用處。於是，牛津納米孔決定自行開發和商業化 MinION，為兩家公司的決裂埋下了伏筆。

2013 年 11 月 15 日，牛津納米孔與佔據基因測序設備 70% 市場份額的 Illumina 正式終止了合作。

圖丨宇航員凱特·魯賓斯在國際空間站上進行DNA測序（2016年）

然而，僅僅在 10 天后，牛津納米孔就宣布了一個大膽的計劃——研究者只需支付 650 英鎊的押金，就能獲得一台MinION試用機和一次性流動槽。

2014 年 4 月，牛津納米孔在報名的幾千名研究者中挑選了 500 名，向他們寄送了第一批 MinION。此時距離他們在AGBT 大會上振奮人心的演講，已經過去了 2 年時間，飽受爭議的納米孔測序終於正式登上歷史舞台。

令人欣喜的是，牛津納米孔幾乎實現了所有承諾——體積小、速度快、成本低、讀序長……他們還成立了數據分析公司 Metrichor，提供生物信息服務。MinION 讀取的數據會傳輸到雲端，由 Metrichor 的軟體進行計算，識別鹼基。

當年夏天，陸續有人收到更新的版本。

2015 年 5 月，MinION 正式商業化。很快，使用 MinION 進行研究的論文像潮水一樣湧現。有的科學家用它來研究傳染病，有的用來研究癌症，有的用來監測非法交易的木材和野生動物，還有的用來研究地外生命。NASA 甚至計劃將 MinION 送到國際空間站，在微重力下進行測試。

圖丨奧斯瓦爾多·克魯斯基金會的賈奎琳·加西亞·德熱蘇斯和牛津大學的努諾·法里在巴西的亞若昂·佩索亞通過MinION測序儀對寨卡病毒的起源進行研究

英國伯明翰大學的傳染病專家尼克·洛曼（NickLoman）在 2014 年 5 月得到了 3 台MinION，很快就派上了用場。6 月，伯明翰一家醫院遭遇了沙門氏菌爆發。洛曼用 MinION 研究了醫院送來的16份菌株，只用 2 小時就得出了全部菌株的測序結果。將其與公開資料庫進行對比，洛曼發現此次爆發的源頭是一個德國的雞蛋供應商。洛曼感嘆道，傳統的基因測序可能需要幾周甚至幾個月才能得到結果。

還有很多研究者致力於用新的生物信息技術來提升 MinION 的計算和分析能力，各種開源工具不斷湧現。例如，2016 年3月，斯洛伐克誇美紐斯大學的研究者用遞歸神經網路來分析MinION讀取的鹼基，其精確度高於廠商提供的 Metrichor 軟體。

隨著對牛津納米孔的產品關注度越來越高，到 2016 年，約有 1000 多個研究團隊在使用他們的產品，技術平台的爭奪日漸激烈。2016 年 2 月 23 日，Illumina起訴牛津使用的納米孔侵犯了他們與阿拉巴馬大學共同申請的專利。許多科學家對此很失望。愛丁堡大學的基因研究者米克·沃森（Mick Watson）在博客上說，對同時使用這兩類產品的研究者來說，「感覺就像自己的兩個朋友在打架」。

圖丨Nature Biotechnology新聞對Illumina和牛津納米管專利之爭的報道

這場專利戰也被戲稱為基因測序領域的「蘋果大戰三星」。不過，牛津納米孔否認這一指控，認為 Illumina 只是想扼殺競爭，保持自己的壟斷地位。3 月 25 日，美國國際貿易委員會（ITC）對牛津納米孔的產品啟動調查。

圖 | Illuminia和牛津納米孔分別位於《麻省理工科技評論》2017年「全球50家最聰明的公司」榜單第 22 位和 32 位

在上月剛剛發布的「《麻省理工科技評論》 2017 年全球 50 大最聰明公司」榜單中，與基因測序行業相關的公司佔據了一席之地，最具代表性的就是排名 22 的基因測序公司 Illumina 和排名 32 的牛津納米孔。

有趣的是，這兩家公司畢竟現在已成為老死不相往來的冤家。其中，1998 年創立的 Illumina 是測序界的元老，長期佔據著七成左右的市場份額，而牛津納米孔則依靠著其具有劃時代意義的「納米孔基因測序」技術後來居上，成為業界的新興之秀。

不過，人們也發現了 MinION 存在的問題。例如它並不能直接測序，需要事先對組織或血樣進行處理，儘管所需的時間較短，但依然需要專業的技術人員和實驗設備。為解決這個問題，公司正在研究將樣品製備裝置集成入產品內。另外，MinION 的精度相對較低，不過，對很多應用來說已經足夠，並且隨著數據的累積，精度還在不斷攀升。

事實上，MinION 的確改進了——兩年內，設備的準確率大大提高，運行速度快了 5 倍。DNA 核苷酸穿過每個納米孔的速度達到了每秒 450 個，而且未來仍有上升空間。「我見證了這一切，可以說是突飛猛進，」一位來自南加州大學的生物信息學專家 Benedict Paten 說，「我確信，他們將攻陷測序界。」

就在去年，第一個人類基因組測序也在 MinION 上完成了——這仍是一個複雜繁重的過程，而且也不是那麼便宜——價值 500 美元的一次性試劑盒使用了 4 個。

但回想僅僅三年前，這還是一家被嚴重質疑的公司。那時，牛津納米孔選擇實驗室來試用初代 MinION 的時候，結果充其量只能算是「不夠穩定」。早期的版本非常容易出錯，甚至經常壓根無法運行。但牛津納米孔認為，這些早期的錯誤是值得的，他們因此可以招募精通技術的科學家來改良設備、製造輿論熱點、發現潛在應用。

圖丨牛津納米孔開發的DNA測序儀可以用電腦上的USB供電

自 2016 年之後，Oxford公司為迴避Illumina及另一競爭對手Pacific Biosciences 提出的專利侵權訴訟，對 MinION 的關鍵方面做了改動。事實證明，這些改動最終使設備變得更好了。「似乎有個光環圍繞著這家公司。」公司的專利律師 Martyn Andrews 說道。

截至目前為止，MinION 在速度和精準度上與 Illumina 公司的設備尚有差距。但常規測序方法不可避免地會用到巨大昂貴的顯微鏡和精密的化學過程來觀察 DNA 結構。相比之下，在納米孔測序過程中，DNA 雙螺旋被吸入極小的環狀生物孔，這種生物孔材料來自於細菌表面。當由 A,G,C,T 四個鹼基組成的DNA鏈穿過小孔時，每個鹼基會產生微小的電信號變化，這微小的變化就足以讓設備識別。

MinION有獨門秘訣，其中之一就是可以讀取超長的、連續的 DNA 序列。相比之下，Illumina的設備只能讀取 150 個核苷酸的 DNA 短片段。對 MinION 來說，讀取1萬個核苷酸是再平常不過的事兒了。它的最高紀錄是一次性讀取 88.2 萬個DNA核苷酸。長核苷酸序列的讀取意味著，可以減輕後期拼接整合基因組序列的工作量：想像一下一個由幾千塊碎片而不是上百萬塊碎片組成的拼圖——對研究新的生命體基因組而言，這至關重要。

如今，鑒於MinION更適合分析細菌及病毒，牛津納米孔公司研發了第二種設備Promethion。這家公司認為，Promethion將成為Illumina殺手，因為它適合人類及其他大基因組生物的基因組測序。這個印表機大小的設備有上萬個納米孔可以同時工作，能夠在幾小時內讀取上萬億的序列。

該公司首席科技官 Clive Brown 表示，Illumina 公司價值 100 萬美元的高端測序儀 HiSeq X 的功能與 Promethion 相似，但價格卻比 Promethion 貴得多。

圖 | Promethion

今年四月，牛津納米孔邀請他們的重要用戶齊聚倫敦參與年度會議，這有點類似於生物類研發者的聚會。在會上，首席科技官 Clive Brown 登台，半誇耀半帶歉意地展示了一系列尚未完成的構想，包括升級 MinION 以及研發新的產品 Promethion。

然而，正如牛津納米孔公司不斷跳票的的 MinION 產品一樣，Promethion 同樣是一款改進中的產品，而且已經遠遠落後於預期時間。牛津納米孔計劃在今年晚些時候開始銷售，首席科技官 Clive Brown 依然是對 Promethion 信心滿滿，他在科學家見面會上說道，「1.0版本就足夠驚艷。」

無情的是，大話很快被現實戳穿。荷蘭一家叫做 ZF-Screens 的公司購進了 Promethion 的早期版本產品，他們希望，利用這項技術了解國花鬱金香的基因組，加速新品種的培育，以獲得更大的商業價值。

圖丨鬱金香

可根據 ZF-Screens 公司研究成員 Hans Jansen 的反饋，Promethion 在測試中「時而好用時而不好用」，軟體很難捕捉到數據，而且第一批通過納米孔的細胞總是會破碎。但作為解讀鬱金香複雜基因組的唯一辦法，ZF-Screens 公司還是不得不繼續使用這款設備。

他們希望，利用這項技術解密國花鬱金香的基因組。鬱金香是具有商業價值的花卉，了解它的基因信息的細節將加速新品種的培育，尤其是在鬱金香成熟時間很長、傳統培育過程可能長達 30 年的情況下。鬱金香這種植物的基因組特別龐大——大約是人類基因組的 10 倍——如此高的重複率決定了它不能簡單地使用現有的測序方法。

然而，這一切都並不能阻擋牛津納米孔公司的前進步伐。除了幾款簡單的設備之外，牛津納米孔公司更宏大的願景就是打造出「生物聯網」（internet of living things）——DNA感測器無處不在，每個人都能隨時讀取自己體內以及周圍生物的DNA，並將這些數據實時上傳到互聯網上。

使用者可以隨時了解自身的狀況、周圍環境中有哪些致病菌、以及漢堡中夾著什麼肉等等信息……這家年輕的公司從一個偶然冒出的好點子起步，深陷過技術停滯的泥潭，經歷過合作夥伴的反目和眾人的質疑，面臨著專利侵權的指控，也品嘗過得來不易的成功果實。

如今，他們正懷揣顛覆未來之夢，為世人帶來具有劃時代意義的基因測序產品。讓基因測序走入尋常百姓家的希望，或許就握在牛津納米孔的手中。