生命科學領(lǐng)域“光刻機”全球競速，中國企業(yè)在納米孔測序儀新賽道表現(xiàn)如何？

作為基因測序產(chǎn)業(yè)鏈的上游，基因測序儀及配套試劑是整個產(chǎn)業(yè)鏈壁壘最高的部分。以目前主流的高通量測序儀（也被稱為第二代基因測序技術(shù)，NGS）為例，長期以來這塊市場基本由國外少數(shù)幾家公司主導(dǎo)。

然而，這種格局并非一成不變。新一代測序技術(shù)以及涌入基因測序儀行業(yè)的新興企業(yè)，都為未來測序儀行業(yè)的發(fā)展格局注入一些不確定性，這也是傳統(tǒng)優(yōu)勢企業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。

納米孔測序儀眼下正呈現(xiàn)出更加多元化的行業(yè)格局?！霸诩{米孔測序儀方面，中國其實跟進得比較快?！敝袊茖W院化學研究所吳海臣研究員在近日的一場主旨演講中表示，在國際上2014年實現(xiàn)納米孔測序儀商業(yè)化之前，從科研的角度來看，國內(nèi)科學家參與度較低，但在隨后的測序儀推進過程中國內(nèi)并未落后。

此前的2021年12月，齊碳科技宣布推出國內(nèi)首臺商業(yè)化的納米孔基因測序儀，這正式開啟了納米孔基因測序國產(chǎn)化時代。而在剛剛過去的9月9日，專注于二代基因測序的華大也正式宣布加入納米孔基因測序儀陣列，面向全球發(fā)布最新測序技術(shù)——CycloneSEQ測序技術(shù)，兩款擁有自主產(chǎn)權(quán)的納米孔測序儀首次對外推出。

對華大系而言，其后續(xù)的優(yōu)勢之一顯然在于利用原有的銷售渠道為下游提供“一站式選擇”。正如華大集團聯(lián)合創(chuàng)始人、董事長汪建在產(chǎn)品發(fā)布會上表示，“從激發(fā)光測序儀到自發(fā)光測序儀，再到今天公布的不發(fā)光測序儀，三類機器，三種不同原理、不同測序方式結(jié)合在一塊，我們是全世界唯一的一家?！?/p>

不過，儀器從無到有是另一個全新的開端。未來在競爭日益激烈的市場中如何順利分得一杯羹？這是每一項新技術(shù)的入局者都要面臨的必考題。

9月9日，華大正式宣布加入納米孔基因測序儀陣列，面向全球發(fā)布最新測序技術(shù)——CycloneSEQ測序技術(shù)，兩款擁有自主產(chǎn)權(quán)的納米孔測序儀首次對外推出。

生命科學領(lǐng)域的“光刻機”

華大集團CEO、執(zhí)行董事尹燁將基因測序儀視作生命科學領(lǐng)域的“光刻機”，而華大自主研發(fā)生產(chǎn)這臺“光刻機”的緣由外界并不陌生。

華大生命科學研究院院長、華大集團執(zhí)行董事徐訊表示，華大創(chuàng)立于1999年，彼時正值高通量測序技術(shù)快速變革時期，而2010年憑借來自國家開發(fā)銀行貸款一口氣從Illumina買下128臺當時最先進的Hiseq2000測序儀后，一舉成為全球最大最有影響力的測序機構(gòu)。

“那時我們和全球前十大藥廠中的8家都簽訂了戰(zhàn)略協(xié)議，當時覺得可以通過這樣的模式，不斷購買新的設(shè)備不斷擴大規(guī)模，成為真正意義上的全球最大也是最強的測序機構(gòu)。”

“當頭棒喝”很快到來?！霸噭q價40%、想要折扣必須加入測序聯(lián)盟、因為配件禁運機器不能維修、不告知新型號儀器發(fā)布計劃、未經(jīng)允許不能擅自移動機器、沒有得到授權(quán)不能用于臨床……”2011年開始，“卡脖子”難題接踵而至。

華大生命科學研究院院長、華大集團執(zhí)行董事徐訊。

徐訊坦言，“我們花了上億美金買來一個深刻的教訓，技術(shù)原來是買不來的。”主攻基因測序儀的華大智造也最終應(yīng)運而生，該公司成立于2016年4月，由華大集團原本的測序儀板塊獨立拆分而來，在此之前華大收購了Complete Genomics公司（下稱“CG”公司），組建測序儀研發(fā)團隊，實施國產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)化。

“我們搭第一臺原型機，一些零部件都是從華強北和淘寶買來的。”徐訊說，歷經(jīng)16個月，華大最終在2015年跨出關(guān)鍵一步，正式推出第一臺商業(yè)化運行的基因測序儀BGISEQ-500?！半m然我們的第一臺機器受到一些詬病，可能有這樣那樣的問題，但我們沒有止步于一臺機器，實際上不斷地在為更高精度、更高通量、更低成本迭代和創(chuàng)新?！?/p>

在過去近十年的時間里，華大陸續(xù)研制和對外發(fā)布了一系列覆蓋高中低不同通量的基因測序儀。值得一提的是，在去年2月的AGBT（基因組生物學技術(shù)進展會）上，華大智造發(fā)布了超高通量測序儀DNBSEQ-T20×2（下稱“T20”）。

從公開披露信息來看，T20刷新了全球基因測序儀通量的新紀錄。按照全年300個工作日計算，T20每年可完成高達5萬例人全基因組測序。更為重要的是，T20超強生產(chǎn)規(guī)模使得“超級測序工廠”成為可能，從而使得單人全基因組檢測成本降至100美元以下。這也是此前全行業(yè)的目標。

測序還有哪些“剛需”難題？

“有了工具在手，我們在基礎(chǔ)科研、臨床應(yīng)用上不斷取得新的突破。然而隨著不斷探索，我們遇到了基于DNB的短片段測序儀仍然無法解決的問題?！毙煊嵢缡翘岬?。

實際上，第一代測序技術(shù)Sanger測序目前仍是基因檢測的金標準，但其通量低，不適合多樣本的大規(guī)模測序。而作為第二代測序技術(shù)，高通量測序技術(shù)解決了通量問題，但其測序讀長較短，基因組拼接困難且測序時存在高GC偏性，其應(yīng)用仍然受限。

徐訊解釋稱，基于DNB的短片段測序儀遇到多種棘手問題：基因組上仍然有8%的“暗物質(zhì)”區(qū)域無法檢測到；許多微生物基因組GC含量異常，常規(guī)測序無法完成組裝；現(xiàn)有DNB平臺面對復(fù)雜結(jié)構(gòu)變異造成的遺傳疾病很難解析；也無法實現(xiàn)實時、快速的測序，解決ICU里感染的快速檢測需求。

“面對這些挑戰(zhàn)，已有成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，提升10%已經(jīng)是極限?！苯鉀Q這類問題需另辟新技術(shù)。

納米孔測序儀是解決方案之一。吳海臣表示，“納米孔DNA測序技術(shù)開辟至今歷史并不長，到現(xiàn)在其實還不到30年?！睍r間回溯至1996年，哈佛大學的Daniel Branton、加州大學的David Deamer等人，在美國國家科學院院刊PNAS雜志上首次發(fā)表文章指出，可以用膜通道檢測多核苷酸序列。2012年，基因測序企業(yè)Oxford Nanopore推出首款納米孔基因測序儀樣機，并于2014年率先實現(xiàn)商業(yè)化。

基于電信號測序的納米孔DNA測序，其原理實際上非常直觀簡潔：通過電場力驅(qū)動單鏈核酸分子穿過納米尺寸的蛋白孔道，由于不同的堿基通過納米孔道時產(chǎn)生了不同阻斷程度和阻斷時間的電流信號，由此可根據(jù)電流信號識別每條核酸分子上的堿基信息，從而實現(xiàn)對單鏈核酸分子的測序。

中國科學院化學研究所吳海臣研究員發(fā)表主旨演講。

盡管原理簡單，但納米孔測序儀的誕生也并非坦途。合適的納米孔蛋白、DNA鏈穿過納米孔時如何控速、電流信號檢測、穩(wěn)定的電化學反應(yīng)環(huán)境等等，都是納米孔測序儀研制的核心問題。

徐訊介紹稱，此次華大發(fā)布的納米孔測序儀一個獨特的創(chuàng)新即在于提出納米孔局部化學反應(yīng)體系（NLC）解決方案，也可以形象地理解為精準控制測序反應(yīng)的“離合器”?！榜R達蛋白的工作需要ATP，它需要用鎂離子才能激活，我們通過在納米孔周圍形成一個非常小的局部鎂離子濃度的環(huán)境，且鎂離子濃度可控，從而實現(xiàn)調(diào)控馬達蛋白。”所謂的馬達蛋白，是在DNA鏈穿過納米孔時起牽引作用，也被稱為是納米孔測序的動力源。

杭州華大序風科技有限公司（下稱“華大序風”）總經(jīng)理董宇亮對澎湃新聞（www.ditubang.cn）記者表示，總體而言此次發(fā)布的CycloneSEQ技術(shù)呈現(xiàn)出幾大特點。華大序風系華大系成員公司，主要負責單分子長讀長測序技術(shù)的開發(fā)與生產(chǎn)。今年6月，華大智造獲得華大序風納米孔測序產(chǎn)品的全球市場經(jīng)銷權(quán)。

第一，相對于DNBSEQ而言，它的測序讀長會長很多，且覆蓋長度范圍比較全面，“我們現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了讀長最長達到Mbp（1Mbp等于10的6次方）級別，而短的像血液中的游離DNA片段也是可以測的。”董宇亮強調(diào)，兩款納米孔測序儀的測序讀長均覆蓋百bp至Mbp，“長而全，這是它主要的一個特點?！?/p>

第二個技術(shù)特點是快，“單條鏈過孔速度能夠達到350nt/s-420nt/s，另外它能夠?qū)崟r測序，意思就是比如測10分鐘后，使用者拿到足夠的數(shù)據(jù)，就可以停下來，非常靈活。”

第三個特點就是小巧靈活，“兩款產(chǎn)品設(shè)備都是可以放在手掌心的大小，小就意味著普及性更高，比如在一個很小的實驗室里，這個設(shè)備只要一個小空間就可以插進去，這樣不管是在高校還是科研院所，甚至一些政府單位里面，它對于實驗室的空間要求非常低?！?/p>

另外值得關(guān)注的是，相對于第一代、第二代測序技術(shù)，錯誤率高是目前納米孔測序的主要缺點。“單分子測序檢測的是單個分子的原始信號，單個信號的準確率相比之下會低一些。”董宇亮提到，即使如此，通過蛋白優(yōu)化、算法優(yōu)化等策略，“我們目前已經(jīng)達到了單次準確率97%這樣一個水平?！?/p>

而據(jù)徐訊透露，相比于目前已開放訂購的WT02，計劃于2025年上半年上市的WY01的單次準確率將進一步提升至99%，“這也將是這臺測序儀最大的一個突破?！?/p>

此外，WT02的單芯片孔道蛋白數(shù)高達4092個，單芯片實驗室最大通量達50Gb（1Gb 等于10的9次方）。WY01在此基礎(chǔ)上，單芯片將提供8倍數(shù)量的孔蛋白，將達到3萬個蛋白孔（即每平方毫米有51個），從而單芯片數(shù)據(jù)產(chǎn)量將提升到8倍。

徐訊認為，如果WT02可以被喻為“全公路越野車”，那么WY01更像是一輛“全副武裝的工程車”?！?WY01的出現(xiàn)，填補了國內(nèi)納米孔測序領(lǐng)域高通量芯片的空白，多項關(guān)鍵性能處于全球領(lǐng)先的水平，它可加速疾病研究和診斷，促進跨學科研究合作，支持生物多樣性和生態(tài)學研究?！逼鋸娬{(diào)。

新增長點潛力如何？“目前已有訂單”

對于此次納米孔測序儀的發(fā)布，除產(chǎn)品本身外，外界關(guān)注的另一焦點在于，作為未來華大智造的業(yè)務(wù)新增長點，其提振業(yè)績潛力如何？

實際上，從業(yè)績角度而言，華大智造也需要新的有競爭優(yōu)勢的業(yè)務(wù)來刺激增長。公司2023年營收為29.11億元，和上年同期相比（同比）減少31.10%；歸屬于上市公司股東的凈利潤為-6.07億元，同比大幅減少129.98%；今年上半年，公司營收為12.09億元，同比減少16.23%；歸屬于上市公司股東的凈利潤為-2.98億元，虧損較上年同期（-9802.70萬元）增加。

今年6月宣布獲得華大序風納米孔測序產(chǎn)品的全球市場經(jīng)銷權(quán)時，華大智造表示，目前市場上對以單分子測序技術(shù)路徑為主的產(chǎn)品需求增長迅速，且預(yù)計未來隨著單分子測序技術(shù)短板的明顯改善，下游應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M一步拓寬，單分子測序技術(shù)與高通量測序技術(shù)的互補效應(yīng)趨勢日漸明朗。

華大智造稱，經(jīng)過公司初步測算，預(yù)計時空組學業(yè)務(wù)及單分子測序業(yè)務(wù)將給公司收入及利潤帶來正向影響，長期來看，本次交易將有利于公司拓展新的盈利增長點，增強可持續(xù)經(jīng)營能力。彼時公告還提及一點，未來待業(yè)務(wù)發(fā)展穩(wěn)定后，不排除公司以收購等方式進行進一步整合，擴大業(yè)務(wù)規(guī)模。

華大智造首席運營官蔣慧此次對澎湃新聞（www.ditubang.cn）記者表示，從市場對測序的需求而言，既要準確度、又要成本低，既要讀長長、又要讀長全，“那最好的辦法就是‘1+1’，這也就是我們?yōu)槭裁捶Q之為‘SEQ ALL’?！?/p>

其進一步提到，從未來的銷售策略來看，“一方面會基于現(xiàn)在面向全球的已經(jīng)建好的DNBSEQ的銷售渠道，加快CycloneSEQ往前端的推廣和銷售；另一方面更加關(guān)鍵和重要的是，我們將充分發(fā)揮‘1+1＞2’的策略，也就是我們的SEQ ALL組合，無論哪一種方案都會很好地匹配實驗室數(shù)據(jù)產(chǎn)出的需求?！?/p>

就納米孔測序儀未來拓展的業(yè)務(wù)方向，蔣慧提到四大類型的潛力客戶，即高校、科研機構(gòu)、疾控、醫(yī)院?！?月份拿到序風的經(jīng)銷權(quán)后，我們一直在推動外部使用，目前已經(jīng)裝機的儀器設(shè)備整體已經(jīng)達到50-60臺，其中一部分是早期的測試使用設(shè)備?！?/p>

而在發(fā)布會當天，超過70家科研及臨床用戶代表與華大共同簽署合作協(xié)議，首批CycloneSEQ用戶達成簽約合作意向?！斑@些簽約的合作伙伴都有非常強的意向，有一些陸續(xù)在采購過程當中?！睋?jù)介紹，未來華大納米孔測序儀的生產(chǎn)制造將由位于杭州的華大序風承擔。

在上述發(fā)布會上，徐訊也對外公布了WT02的發(fā)售價，WT02測序儀（含服務(wù)器）發(fā)售價格為40萬元人民幣，配套試劑盒為5100元/Run。WY01的價格則有待披露。

未來納米孔測序儀市場競爭如何？華大智造此前在相關(guān)公告中即提到，單分子測序領(lǐng)域獲得資本市場關(guān)注，資源密集投入加速了相關(guān)技術(shù)的進步及商業(yè)化進程。此外，公司在全球范圍內(nèi)的競爭對手均陸續(xù)布局單分子測序相關(guān)技術(shù)，目前呈現(xiàn)出群雄逐鹿的格局。

其在2024年半年度報告中也寫道，近幾年來，基因測序行業(yè)仍呈集中度較高、龍頭企業(yè)競爭力強且市場份額大的格局特點，華大智造、Illumina、Thermo Fisher 市場占有率合計近 90%（按收入口徑計算）。而在單分子測序領(lǐng)域中，代表企業(yè)Pacific BioSciences和Oxford Nanopore Technologies的合計市場占有率約8%。

顯而易見的是，龍頭企業(yè)憑借其源頭性技術(shù)和完整的專利布局、全面的產(chǎn)品矩陣和快速迭代能力、廣泛且深入的商業(yè)化體系和強大的學術(shù)服務(wù)能力，構(gòu)筑起了技術(shù)壁壘并具有明顯的先發(fā)優(yōu)勢，因此仍占據(jù)絕對優(yōu)勢地位。

同時，因技術(shù)成熟度及易用性提高、下游應(yīng)用場景廣泛，全球范圍內(nèi)進入基因測序儀行業(yè)的新興企業(yè)大量涌現(xiàn)，包括Ultima、Element Biosciences、真邁生物等高通量測序企業(yè)，也有齊碳科技、Quantum-Si等單分子測序及蛋白測序企業(yè)，新進企業(yè)以細分領(lǐng)域突破為發(fā)展契機，行業(yè)格局逐漸有多元化發(fā)展的趨勢。

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前不同技術(shù)路徑的基因測序儀研發(fā)和制造商超過70家，其中絕大多數(shù)處于研發(fā)早期。2022-2023年，推出商業(yè)化量產(chǎn)測序儀的新興測序儀公司包括Element Biosciences、Singular Genomics、真邁生物及賽陸生物等。

值得一提的是，就納米孔測序儀進一步發(fā)展的方向，吳海臣提到，當前納米孔DNA測序已經(jīng)相當完善，學術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)在都在關(guān)注的則是納米孔蛋白質(zhì)測序，而蛋白質(zhì)具有20個典型氨基酸以及數(shù)百個非蛋白質(zhì)氨基酸等復(fù)雜性使得該技術(shù)目前處于初級階段。“但目前全球競爭非常激烈，但是和此前納米孔DNA測序不同，在蛋白質(zhì)測序領(lǐng)域我們國內(nèi)的科學家參與度是非常高的?！?/p>

董宇亮也對澎湃新聞記者表示，未來公司納米孔測序儀技術(shù)發(fā)展的進一步空間，除了繼續(xù)提升準確率和通量之外，針對納米孔的原理特點還能開發(fā)很多創(chuàng)新性的應(yīng)用，包括甲基化測序、RNA直接測序、多肽測序等，“在這個領(lǐng)域我們還在持續(xù)攻堅。”

不過，無論是此前的高通量測序儀，還是最新的納米孔測序儀，站在設(shè)備生產(chǎn)商的角度，進一步擴大普及率、甚至實現(xiàn)“人人基因組時代”的到來，是行業(yè)參與者的普遍愿景。