基因測序科技突飛猛進

日期：2011-01-06 12:03:16

最新一期的美國《福布斯》于2010年12月底正式出刊，本期封面文章標題為“基因測序科技突飛猛進”。文章對基因創業企業家Jonathan Rothberg和他發明的功能強大的基因測序儀器做了介紹。文章認為，這項發明可能會在醫藥、食品、能源，甚至消費產品上的一場革命，由此形成規模可達 1000億美元的科技市場。

　　Rothberg發明的長寬高僅24X20X21英寸的基因解碼器(decoder)，可能會改變人類的生活方式。這件看似玩具、或是掌上電腦的小設備，的確可能是自個人電腦以來對科技界的又一次巨大沖擊，且未來還會形成規模達1000億美元的市場。

　　解碼器外部有一個8英寸的觸摸屏，左側有可把數據下載到iPhone的端口，屏幕下方有4個分別標有○、X、□和＋符號的測試管。它們分別代表了形成人體DNA的最基本4個化學物質，鳥嘌呤(核酸的基本成分，guanine)、胞嘧啶(cytosine)、腺嘌呤(adenine)和胸腺嘧啶 (thymine)。

　　這臺以硅芯片為基礎建造的個人染色體檢測儀(Personal Genome Machine，PGM)，是當今世上體積最小、檢測成本最低的上市產品。它可在2小時之內，以很高的精度解讀出1000萬個基因代碼符號 (letters of genetic code)。與現有使用大型電腦和服務器的DNA掃描設備不同，PGM可置于辦公桌上，且售價僅5萬美元，是當前具有同類功能儀器的十分之一。這也是史上首次科學家個人、社區醫院和高校能夠負擔起的儀器。

　　這項由Rothberg和其他工程師發明的小玩意還可用于改變醫藥、農業、納米科技和在其他可再生燃料的探索。Rothberg稱，在不遠的將來，大夫通過DNA測序(DNA sequencing)就能對腫瘤部分的遺傳缺陷點位進行修補，并根據癌癥患者的不同情形有針對性地用藥。患有先天性罕見疾病的兒童，可通對他們的更多染色體組做針對性的解碼，以消除估計和誤診。

　　PGM更適合于室外醫療環境。在第三世界工作的救險人員可使用這種便攜式基因解碼器跟蹤造成水污染的細菌，或病毒。機場衛生官員能利用它對旅行者的基因做采樣分析，在傳染性細菌和病毒大規模爆發前對其進行跟蹤。工程師還可利用PGM來設計和培養未來燃料的微生物。DNA測序還有助于農戶培養出生長更快，抗蟲害更強、更耐旱，且施化肥更少的谷物品種。合成生物學家(synthetic biologist)還能做到讓細菌為人類服務，以制出洗滌液、服裝、家具，甚至能夠對裂縫有自我愈合功能的水泥。

　　根據Rothberg的看法，基因測序今后會影響到人類生活的各方面。正如上世紀是物理學時代一樣，本世紀是生物學世紀。他深信基因測序科技商品化后所形成的市場，可達到像醫學檢查成像(medical imaging)科技那樣的1000億美元規模。

　　Rothberg創建過4家與遺傳學相關的企業。發明PGM儀器的Ion Torrent公司，是Rothberg在3年前夢想能快速、便捷地檢測DNA后所創建。Rothberg的發明引起了一家名為Life Technologies的專業生產實驗室設備企業的強烈關注。在PGM正式生產前，Life　Technologies去年秋季以3.75億美元價格收購了Ion Torrent。有分子遺傳學專家認為Rothberg有很美妙的創意，并能使項目團隊合作的很順利。

　　基因組學(Genomics)的功效確實被過分宣傳，到目前為止，其功效尚未都顯現出來。當科學家10年前首次完成基因圖譜時，他們曾標榜新科技能讓老年癡呆、心臟病和精神分裂癥等多種疾病的治療更高效。但這一幕至今未出現。藥品批準程序讓事情變得更糟。對心臟病、糖尿病和其他常見病的遺傳根源的探索，幾乎讓普通患者得不到任何有用信息。

　　Rothberg認為，這是因為新科技還未強大到足以破解潛伏在像癌癥和孤獨癥之后的基因秘密。人們從高中生物課本中就了解到，每個細胞中心內有60億個構成DNA雙螺旋體的化學代碼(chemical　letters)。其中一些可能處在遺傳混亂狀態，其大量作用尚待發現。散布在DNA周圍的是2萬個基因，這些物質在掌控身體，如何制造包括胰島素、肌肉、血色素、腦組織、骨骼和凝血因子在內的幾乎所有身體所需的內容。那怕基因內深藏只有一個出錯的化學代碼，都將會增加患上癌癥或糖尿病的風險。

　　尋找基因中致病的錯誤代碼，并將它們從多種無害基因變化體中分離出來，將是破解巨量信息的重大挑戰。但是，迎接挑戰的科技也在高速改進。政府雇用的研究人員10年前，在花費了納稅人的30億美元資金后，終于首次成功揭開了人類基因編碼。在像基因傳奇人物克雷格·文特爾(Craig Venter)等一批私人機構的努力下，人們現在只需花1萬美元，再等上數周便能精確地解讀自己的整個DNA序列。至今已有近3000人，其中大多數是在研究課題中獲得了測序結果。有基因測序專家稱，能夠獲得測序結果的人數到2012年時會猛增至數十萬人。在美國立衛生研究院(National Institutes of Health，NIH)主任Francis Collins看來，現在能做到的事情在數年前簡直想都不敢想。

　　盡管頂級的醫學刊物在連篇累牘介紹遺傳學的研究成果，但大多數科學家還是未接觸到DNA解碼科技(DNA-decoding technology)。現有的基因測序儀器如同上世紀60年代售價高達60萬美元的大型電腦，每項測序結果都需等上1周，并還需要技術團隊來運行測序儀器。據高盛公司的報告，在全球1400套的測序儀器中，有半數都安裝在20個大型學術和政府研究中心內。

　　Rothberg發明的設備可通過高速分析和分析設備廣泛擴散來改變這一切。他稱，當前僅400個實驗室在進行基因組學的研究。但他想借助 PGM把該領域擴大到4000個研究團體，由此讓針對遺傳學問題的研究團體的能力成倍提高，讓目前難以進行的實驗大量增加。據加州大學戴維斯分校研究員 Jonathan Eisen和哈佛大學基因研究員、基因測序開拓者和Ion Torrent公司顧問George Church的看法，未來對這種新儀器、新科技的需求極大。他們甚至認為PGM未來會像iPad那樣，每個遺傳學者人手一個。

　　但是，測序科技和儀器到目前還只是很小的市場，硬件規模僅15億美元，面對的用戶都是科學家。據普華永道會計師事務所 (PricewaterhouseCoopers)估計，醫學基因檢測和另一些分子診斷學(molecular diagnostics)構成了另外的26億美元市場。

　Rothberg大膽設想的未來20年可能會出現的市場行情如下。

　　治療癌癥是短期內的最大應用市場。當今癌癥患者治療的開支都達到了數十萬，甚至上百萬美元。一些乳腺癌患者已開始接受專業化的基因檢測，以幫助大夫針對患者的具體情況對癥下藥。若類似基因測序能成為歐、美兩地400萬乳腺癌患者的常規檢查，僅此一項就可形成200億美元市場。還有些患者因腫瘤擴散和變異，因此可能需要多次做測序，由此讓市場總規模可達到400億美元。

　　另100億美元市場可能來自對患有罕見遺傳疾病，或有其他基因危險因子(genetic risk factor)的兒童和成年人做測序。另外，對基因測序所獲得的復雜信息的理解和說明，以及向患者解釋這些信息的意義這一全新的醫療專業領域，也會帶來另一100億美元市場。

　　在醫院、機場和在購物中心等一些公共場合跟蹤傳染病，以分解出微生物，并防止它們流行的業務大約也能形成100億美元的市場。

　　若測序成本繼續下降，富裕人群作為一種預防手段，會開始對自己和下一代的新生兒做基因組測序。若每年有5000萬人以每次檢測花費2000美元計算，市場規模也可達100億美元。這樣，全球市場規模已達800億美元。

　　畜牧業篩選最佳配種和使農作物更高效產出的種子優選，可能再帶來50億美元的市場。

　　還有像探索其他人造生物燃料，設計用于洗滌液的新型酶，以及一些目前尚未想到的新應用，也可輕松形成150億美元的市場。由此讓PGM應用市場共計達1000億美元。

　　與所有創新中潛伏的不確定風險一樣，基因測序儀器也可能會失敗。其成功有賴于新科技進一步提高的速度，使用新設備后的研究者能有新發現的速度，特別是治療當前各種疑難雜癥的新藥是否能盡早出現等一些不可預知的因素。

　　基因檢測的價格還會下降，讓每次檢測如同檢驗血糖和膽固醇等血指標一樣而成為利潤率更低的項目。但即使如此，該領域的市場也可達400億美元。 Rothberg發明的設備可能無法獲勝，就像1980年代壟斷著PC市場的Commodore64家用電腦很快從市場上消失一樣，PGM也可能有同樣命運。

　　目前至少有十多家創業企業在這一領域內競爭。位于加州Menlo Park地區的美國太平洋(10.95,-0.10,-0.90%)生物科學公司(Pacific Biosciences)在創投基金投入3.7億美元后，又于去年10月首次公開發行股票上市籌集2億美元。公司的基因測序儀器將于今年初面市，它還是首次可對單個DNA進行測序的儀器。在相距不遠的山景城(MountainView)的整合基因公司(Complete Genomics)甚至認為，DNA測序會變為一項像病理學那樣的服務業。在此領域內，所有信息都需要送到超大型的中央實驗室去處理。

　　與早期PC機情形類似，Rothberg發明的小巧儀器PGM尚無法與Illumina公司的巨型設備匹敵，因前者每次只能對人類基因的很小一部份做測序。它僅有助于大夫檢測少數致病基因引發的腫瘤，并核查針對特定腫瘤的藥物是否有效，或用于傳染病研究人員想要核實唾液，或水中究竟有哪些種類微生物存在。

　　至少眼下Illumina的CEO Jay Flatley認為PGM對公司產品構不成威脅，因為公司的研究進展比任何競爭對手都快。的確，Illumina的設備每次基因測序處理的信息是PGM的 1000倍。Flatley還稱，公司的研究團隊正集中精力開發能讓IonTorrent公司很快會被淘汰的新一代測序科技，其中包括能對單個DNA分子做測序的技術。

　　然而，Rothberg發明的秘密在于，這臺首個DNA解碼儀器全部是構建在硅片上，且可迅速提升性能。他稱，今年上半年對儀器的升級，可使其性能比原型機高出10倍。他認為自己的科技是建立在投資已達1萬億美元的微芯片開發和制造基礎上。因此，它同樣也符合可快速更新換代的摩爾定律 (Moores Law)。他最終希望能把PGM的尺寸做到像iPad一樣大小。

　　Rothberg還看到了PGM用于醫保的潛在機會。大夫已開始使用HIV的基因突變(genetic　mutations)來預計，哪一類藥物更適合治療患者的病毒。他稱，大夫們在尋找這一治療途徑的更佳方法，PGM能幫助他們。他還表示，未來6個月內推出的另一種新機型，每次能處理200個或更多的基因信息，這也是腫瘤學家亟需的，可盡快做出診斷，并開出藥方的儀器。

　　PGM的應用還遠不止用于癌癥治療。一些婚后想繁衍后代的夫婦，在懷孕前做基因檢測大有必要，此程序可確保嬰兒不會患上因神經鞘脂代謝有關的隱性常染色體遺傳病，泰-薩氏病(Tay-Sachsdisease)。這對PGM的應用是絕佳機會。

　　Rothberg以前絕不相信，名為結節性硬化癥(TSC)的常染色體顯性遺傳性神經皮膚綜合征是能夠治愈的。但隨著基因測序研究上的快速進展，他對治愈此病的前景更樂觀。