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1700235130 桑格被认为是大神级人物,实在是实至名归。他分别在1958年和1980年获得诺贝尔化学奖,是史上第四位两度获得诺贝尔奖,以及唯一一位两次获得诺贝尔化学奖的人。他在37岁的时候就完整测定了胰岛素的氨基酸序列,证明蛋白质具有明确构造,并于三年后首次获得诺贝尔化学奖。而他第二次获得诺贝尔化学奖,正是因为发明了Sanger法。发明化学降解测序法的沃特·吉尔伯特(Walter Gilbert)与桑格分享了当年的诺贝尔化学奖,然而如今已不再使用化学降解测序法。桑格因此被称为“基因组学之父”,如今英国剑桥大学的桑格研究所正是以他的名字命名的。
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1700235132 与直读法相比,Sanger法明显极具优势:试剂无毒,操作容易,结果准确且稳定。因为这些优点,Sanger法很快风靡全球生命科学实验室,科学家们也开始对破解上帝留给人类的基因“天书”蠢蠢欲动。可以说,1990年正式启动的“人类基因组计划”能顺利开展,Sanger法是关键。如果没有Sanger法,基因组学这个学科就不会这么快发展起来。
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1700235134 测序技术自动化
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1700235136 Sanger法的发明带动了基因组学的发展。而之前的三大神技,因为其烦琐的实验操作,影响了测序的效率。因此,当时各大生物公司的研究重点就是改进这些技术,使它们自动化和高效化。直到1986年,也就是Sanger法发明11年后,美国的ABI公司(Applied Biosystems Inc.)拔得头筹,利用当年发明的四色荧光标记法,改进了电泳技术,并用扫描仪替换了放射性物质的使用,发明了全球第一台商品化的平板电泳全自动测序仪ABI 370A。
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1700235138 此后,ABI公司不断努力,又用毛细管电泳技术替代了原有的平板电泳技术。因为平板电泳技术的测序数量有限,而且制作电泳胶与加样不能自动化,而毛细管电泳技术可以实现制胶和加样的自动化,减少了试剂的损耗,提升了分析的速度,测序数量也更大。
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1700235140 1998年,ABI公司终于推出了ABI Prism 3700毛细管测序仪,它的上样、数据收集、质控、初步分析都实现了自动化,是第一台真正的全自动测序仪。此后推出的升级版ABI 3730机型,更是为人类基因组计划立下了赫赫战功,至今仍然是Sanger法测序仪的主力机型,这一型号测序仪的测序结果被称为“黄金标准”。至此,ABI公司在Sanger法测序时代的霸主地位再也无可撼动。
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1700235142 在ABI公司的王霸之路上,也出现过不少有力的竞争对手。例如,美国的LI-COR公司和Molecular Dynamics公司等,但这些对手后来都因种种原因衰落,退出了历史潮流。正所谓“滚滚长江东逝水,浪花淘尽英雄”。而这样的故事,在接下来的测序仪发展历程中,还在不断地上演。
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1700235144 高通量测序技术问世:三雄争霸
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1700235146 2003年,随着人类基因组计划的完成,遗传学研究正式进入了基因组学时代。测序向着更大样本量、更多数据量、更多物种的方向迅速发展。而这些发展方向,最终都是为了改善两个最重要的指标:成本和通量(测序效率)。
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1700235148 第一个人类的基因组测序,从1990年到2003年,花费38亿美元才完成。就算在2003年之后,用Sanger法测序一个人的基因组,成本也高达5 000多万美元。为了降低测序成本,美国国立卫生研究院于2003年发起了“5年内实现10万美元= 1个基因组”和“10年实现1 000美元=1个基因组”的两步走战略计划,以鼓励开发新的测序技术。
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1700235150 为了提高效率、节省成本,曾参加人类基因组计划的美国科学家克雷格·文特尔(Craig Venter)早在20世纪90年代就开始用“鸟枪法”进行基因测序。其具体做法是把要测序的基因组切成随机碎片,同时对这些碎片进行测序,再将所得的测序结果拼接起来。这种方法就好比让很多人同时乱枪射击森林里的鸟群,在很短的时间内,就可以将林子中的大部分鸟打中。鸟枪法能够成功的核心原因是IT技术的突飞猛进,特别是超级计算机的广泛应用,使得通过信息技术还原基因组的本来面目成为可能,进而诞生了“BT(生物技术)+IT”的新交叉学科——生物信息学。
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1700235152 在鸟枪法的原理基础上,科学家发明了高通量测序技术,提高了单位时间内产生的数据量。2005年,第一台商用高通量测序仪454横空出世,由美国的454 Life Sciences公司于2005年开发,后被罗氏收购。2006年,英国剑桥的Solexa公司推出基于SBS(Sequencing-BySynthesis)技术的高通量测序仪,后被Illumina公司收购。Sanger法时代的霸主ABI公司晚了半个身位,于2007年也推出了自己的SoLiD高通量测序仪。
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1700235154 在最初的5~6年间,这三家公司不断地推出新品,刷新各自测序仪通量、读长和成本的纪录。这样的竞争一直持续到2010年左右,454 Life Sciences公司和ABI公司的测序仪因为自身的各种不尽人意之处,难逃停产的命运。
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1700235156 这一阶段赢在最后的是Illumina公司。该公司率先进军大型基因组研究中心,抢占了先机。此后,它又推出了高通量的HiSeq系列测序仪,其通量远超另外两家公司。“三国争霸”的年代终于结束,Illumina公司成为高通量时代当之无愧的霸主。
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1700235161 尹烨和Illumina公司的王牌武器:HiSeq系列测序仪
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1700235163 向人人基因组进军:三国争霸
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1700235165 自从2010年推出HiSeq2000系列测序仪之后,Illumina便开始在提高通量的道路上高歌猛进,并在2017年使人类基因组测序成本降低到了1 000美元,率先实现了“1 000美元测序1个人类基因组”的设想。
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1700235167 然而,科技领域从来就不缺挑战者。首先,曾经的失败者454 Life Sciences公司和ABI公司,以一种特殊形式“联盟”了。454 Life Sciences的创始人乔纳森·罗森伯格(Jonathan Rothberg)创办了新的科技公司Ion Torrent,并于2010年成功推出了当时世上体积最小、检测成本最低的测序仪PGM。同年,Ion Torrent被Life Technologies公司收购。而这家Life Technologies公司,正是由ABI公司与Invitrogen公司合并而成!之后,罗森伯格的团队开发出Proton测序仪,并声称一天就能完成人类基因组测序,成本仅为1 000美元。可惜其技术发展并不尽如人意,在多次跳票后,Proton测序仪如今已经基本退出科研市场,Life公司随后也被Thermo Fisher公司收购。
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1700235169 直到此时,所有的测序仪争霸战还只是发生在美国。2013年后,中国和英国也开始相继加入这个生命技术竞争顶级俱乐部,开始了“三国争霸”的时代。
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1700235174 尹烨和Ion Torrent公司生产的Proton测序仪
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1700235176 这还得从美国的Complete Genomics(CG)公司说起。CG公司是个提供测序服务的生物公司,它的测序结果的准确率是业内公认最高的,测序所用的都是自产的测序仪,但它生产的测序仪概不外售。2013年,中国的华大基因收购了CG公司,消化其核心技术,并研发出具有自主知识产权的小型测序仪。2015年,华大基因推出第一代BGISEQ-500测序仪,将人类基因组测序成本降到600美元,这是人类基因组测序价格首次下降到1 000美元以内。2018年,华大基因又推出了T7测序仪,这款仪器一天就能完成60个人类基因组测序,是当今全世界公开发售的通量最高的测序仪。华大基因测序仪的迅速崛起,让世界上又多了一家在技术上可以与Illumina一决高下的机构。
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