白净(白净的拼音)

与2002年用了4个月才确诊的SARS病毒相比,2019年在新型冠状病毒中的确诊要快得多。从公开信息披露的第一例肺炎到确诊,抓到罪魁祸首——新型冠状病毒(新冠肺炎)用了不到十天的时间。高通量基因测序技术对于这种新型冠状病毒的高效鉴定是必不可少的。

高通量基因测序是精准医疗的核心技术。动脉网(微信号:vcbeat)与清华大学私募股权研究院联合举办疫情对医疗行业的影响系列活动,邀请清华大学研究员、博士生导师白景伟分享基因测序技术在本次疫情中的突出应用,以及未来该领域值得关注的技术产品。

白景伟博士毕业于美国加州大学,后在IBM沃森实验室从事博士后研究工作。2013年至2016年受聘于美国基因测序技术公司Illumina,从事研发工作。

动脉网梳理了白景伟在本次VB群访中分享的精彩内容,从基因测序技术的概况、发展、创新等方面进行解读。

基因测序正处于从科学研究到大规模临床应用的关键爆发阶段。

基因是地球上生命最基本的遗传物质,基因测序是帮助我们解读这些遗传信息的重要工具。从科学的角度来看,基因测序是我们了解生命、进行科学研究的最基本工具之一。

近年来,随着基因测序技术的进步,基因测序的价格不断降低。另一方面,基因测序也逐渐进入医疗健康行业。在医疗健康行业,人们对基因测序有一个误区,以为一辈子做一次就够了,但其实从医疗健康检测的角度来说,基因测序是一项会伴随我们一生的技术。

比如生命之初,做试管婴儿的时候,国内很多公司推出基因测序服务,在移植前对胚胎进行遗传病筛查;再者,推荐35岁以上女性进行无创产前检测的技术是基于第二代高通量基因测序的产前检测,即从母体外周血中提取游离DNA,通过测序和统计手段判断胎儿是否患有非整倍体染色体疾病。

除了无创产前和遗传病检测,基因测序的另一个热门应用方向是癌症早期筛查,可以通过检测血液中与肿瘤相关的ctDNA来诊断患者的癌症分期。除了检测ctDNA,还有一些通过检测甲基化表观遗传位点进行癌症早期预测的案例,也需要基因测序技术的支持。

在癌症的分类上,医学界也是按照基因突变的类型来划分的。基因突变需要通过基因测序来确定,这也在一定程度上指导了精准医疗的靶向用药。

在这次疫情的冲击下,基因测序的另一个临床应用——病原体研究和微生物组也被证明是一个蓬勃发展的市场。高通量基因测序技术大大提高了新冠肺炎的检测效率,从采样到最终得出结论只需要一天时间。

历代基因测序技术的升级迭代

基因测序技术的发展基本可以分为三个阶段。第一阶段是第一代测序——桑格测序。这个测序的阅读长度很长,可以达到1Kbp,准确率可以达到99%。但是,它也有一些缺点,如吞吐量低、可移植性差、成本高等。一次全人类基因组测序可能要花费数千万美元。

随着基因测序技术的进步,第二代基因测序技术应运而生。经过近十年的发展,第二代基因测序技术已经将基因测序的价格降到了近1000美元。

第二代基因测序是一种高通量、高准确率(99.5%)的测序技术,但也存在一些缺点,如读取长度短、读取速度慢、单次运行成本高、可移植性差。

第二代基因测序是如何实现的?简单来说就是大规模平行测序法,将替代基因加工成短的DNA片段,通过簇生成或单分子多拷贝聚集的方式将其“播种”在检测芯片表面,然后通过生化循环完成一次酶促反应,实现循环阵列合成测序。第二代基因测序之所以能够实现高通量,是因为可以在一个芯片上同时检测上亿个基因片段。

第二代基因测序技术的发展趋势如下:

自动化数据库构建:样本回答密度更大/信号更强的DNA簇阵列、更快、更高效的低成本生化试剂测序、更高效的流体系统和高性价比的光学系统

近年来,出现了一种新的基因测序技术,可称为第三代基因测序技术或第四代基因测序技术。该方法为单分子测序法,检测的通量与二代相当,但准确性仍有待提高。

这项技术本身是单分子测序状态,因此存在很大的不确定性,但它还有其他优点,如读取长度长、读取速度快、单次操作成本低、设备小型化便携等。

单链测序法不需要聚类生成,测序过程相对简单。通过直接使单链DNA连续通过传感器,可以产生随时间变化的信号。这种模式可以想象成磁带播放的过程。

关于单分子基因测序,我简单介绍一下单分子实时荧光测序和纳米孔基因测序技术。

单分子实时荧光测序主要指零维光电导+γ磷酸荧光技术。零维光导技术是在测序芯片表面覆盖一层铝膜,铝膜上有几十纳米的小孔阵列。当激发光的半波长大于孔径时,它不能穿过Al层,只能在孔径底部形成倏逝波。倏逝波只激发光圈底部附近的荧光分子,所以荧光背景很低。。

在γ磷酸上,A、T、C、G连接不同颜色的荧光基团,在传感器附近固定单个(聚合酶+DNA模板+引物),单个荧光核酸被DNA合成酶捕获,发出荧光信号。延伸反应后,β-γ磷酸被酶除去,带着荧光分子离开,所以不会影响下一个核苷酸的延伸。

纳米孔基因测序技术的原理是将电极放在两个溶液室中,中间用薄膜隔开,在薄膜上留一个孔,这就是我们的纳米孔。此时,我们施加外部电压。溶液中的离子在电场的驱动下穿过纳米孔,形成离子电流。电流与孔径、形状、内部电荷、溶液离子种类、浓度、环境温度等有关。带电的生物分子在电场力的驱动下通过纳米孔,阻断离子电流,形成阻断电流信号。封闭电流与封闭时间、生物分子的大小、极性、电荷以及与孔的相互作用有关。

纳米孔基因测序技术可以细分为链测序、核酸外切酶测序和标签测序,这里不做过多解释。

白净(白净的拼音)

高通量测序的仪器性能比较(摘自嘉宾讲座PPT)

关于未来,我相信第三/第四代测序技术还有很长的路要走,还有很多技术可以挖掘,提高通量和准确性。回过头来看,基因测序的发展方向,我预测,如果中间生物分子不用于信号传递或传输,直接用固体纳米孔进行检测,那么就可以实现基因测序的批量生产,降低价格。

目前也有一些R&D人员在做这个方向的研究,但还处于原理验证阶段。相信未来的基因测序值得期待。

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