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生命密码：你的第一本基因科普书 基因测序仪：生命密码“翻译机”
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《圣经》中记载道，神用6天创造出了宇宙万物。第6日，耶和华神用地上的尘土造人，将生气吹在他鼻孔里，他就成了有灵的活人，名叫亚当。
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然而，只有单纯性别的人类是无法繁衍后代的，上帝便拿掉男人的一根肋骨，创造了女人夏娃，使人类有了两性，才有了繁衍的可能。这是西方上帝造人的过程。
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同样，在中国上古神话传说的其中一个版本里，也有创世女神女娲。相传，她以泥土仿照自己抟土造人，创造并构建了人类社会，又替人类立下了婚姻制度，因此被后人奉为“神媒”。
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从神话到现实，人类从未停止对生命起源之谜的探索。关于生命的终极追问是：我们到底从何而来？这也是科学家们最想破解的难题。
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1871年，达尔文在《物种起源》中首次提出“生物演化论”，世界上现存的数百万个物种，是从大约30多亿年前的原始生命开始不断演化的结果。之后，在其另一部伟大著作《人类的由来及性选择》中，达尔文又提出“人猿共祖”的观点。科学家根据基因序列推算出，人类与现存的最近亲缘物种黑猩猩大约分化于500万年前。
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地球上现存70多亿人最近的共同祖先，可以追溯到大约30万年前。中国民间流传着“同姓的人500年前是一家”的说法。的确，我们彼此之间都有不可思议的相似之处。若把我们自己的基因与其他任何人的基因相比较，平均来说，都有99.5%或更高的相似度。
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当然，正如我们看到的，除了高度相似的基因以外，人与人之间也会存在一些与生俱来的差别，比如皮肤和眼睛的颜色，这些都是由基因控制的。司法人员正是利用这一点进行断案。他们可以根据毛发、血液等痕迹，通过基因检测技术来确认犯罪嫌疑人的身份。
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我们之所以能够推算人与黑猩猩的分化时间，司法人员之所以能够鉴别犯罪嫌疑人的身份，实际上都是靠检测一段长长的生物大分子——DNA来实现的。DNA的基本组成单元含四种核苷酸，分别用A、T、C、G四个字母表示，基因信息的关键就在于DNA序列中A、T、C、G的完整排列顺序。
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自20世纪70年代以来，基因测序技术已经成为打开基因宝藏的金钥匙，帮助我们揭开了无数令人惊叹的生命奥秘。
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打开生命宝藏的金钥匙
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1971年，吴瑞将引物延伸（primer extension）用于DNA测序，启发了后人的测序研究，成为Sanger测序法的重要一步，而引物延伸也被用于其他两项诺贝尔奖工作，即凯利·穆利斯的PCR（聚合酶链式反应）和迈克尔·史密斯的定点突变。
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1975年，桑格和考尔森发明了基于合成的加减测序法。桑格使用该法在1977年测定了第一个基因组，它是由5375个核苷酸组成的一种病毒——φX174噬菌体。1977年2月，阿兰·迈克塞姆与沃尔特·吉尔伯特发表了基于化学降解的测序法（chemical degradation method），这是第一个被广泛采用的测序技术，可以认为是第一代DNA测序法。
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同年12月，桑格发表了后人尊称为Sanger测序法的链终止测序法（dideoxy chain-termination method）。Sanger测序法依赖于一类具有特殊本领的双脱氧核苷酸，它们能够伪装成普通核苷酸并阻断正在复制过程中的DNA链的进一步延伸。而后，通过读取该末端位置核苷酸的荧光信号，就可以读取模板DNA上相对应位置的核苷酸序列，即每添加一个碱基，反应就被终止，同时进行检测，从而获得每次所添加的与模板链互补碱基的具体信息。Sanger测序法最长能读取1000个核苷酸的DNA序列。与前一种方法相比，它用时更短，完成一次测序只需几十分钟。经过不断改良，Sanger测序法的错误率低至十万分之一。由此，人类获得了窥探生命遗传变异本质的能力。
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通过改良标记方法、电泳技术、自动化等重要技术环节，Sanger测序法得到了普遍应用，帮助人类开启了基因组学时代。利用Sanger测序法，人们完成了人、小鼠、水稻、大豆等多个物种的全基因组测序。2001年，在历时13年，耗资38亿美元，经由6个国家（美、英、法、德、日、中）的数百位科学家和技术人员的努力，第一个人类基因组草图最终完成，并得以正式发表。
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尽管经过了各种改良，第一代测序技术还是存在通量低、成本高的问题，技术特点决定了其应用范围。与此同时，来自微流控技术和光电微制造等领域的进展激励着人们探索下一代测序技术（Next Generation Sequencing，简称NGS，也称二代测序技术）。
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率先出现并实现商用的NGS测序技术克服了通量低和成本高的缺点。而且，BGISEQ-500等二代测序仪采用DNA纳米球技术，以生成大量的模板DNA，也在一定程度上克服了扩增偏倚现象[1] 。NGS测序可以一次性测序几十万到上亿条DNA分子，大大提升了测序实验通量，同时有效降低了测序成本。不过，其单次检测的DNA长度偏低，介于150到250个碱基（已经退市的罗氏454技术可以检测到几百个碱基）。
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2011年，完成一个人的全基因组测序只需要一周左右的时间，成本已经降到1万美元。2016年，拥有自主知识产权的国产测序仪BGISEQ-500平台创造了600美元个人全基因组测序的低成本新纪录。预计到2020年，用不超过300美元的成本，就能在24小时内完成个人全基因组样本制备、测序和数据分析全过程。二代测序以其技术的便捷和成本的低廉几乎彻底改变了整个生命科学前沿研究和应用的模式，并带动了配套及相关技术的发展和产业应用。
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在NGS蓬勃发展的同时，第三代测序技术也悄然出现，并快速发展。三代测序技术的特点是检测灵敏，单个DNA分子就能够进行信号检测，而无须模板DNA的大量拷贝来形成模板簇同步信号，从而避免了PCR过程中的扩增偏倚。Oxford Nanopore Technologies纳米孔单分子测序技术（single-molecule seguencing）和PacBio的零模波导孔（Zero-Mode Waveguides，ZMW）单分子实时测序技术成为三代测序技术的两大代表。目前，PacBio的Sequel测序仪读长平均可达12Kbp（千碱基对）以上，而Nanopore的GridION测序仪读长平均可达25Kbp以上。甚至，有报道宣称这类测序仪最高读长可以高达上百万个碱基，这给人类发现长片段DNA造成的遗传变异疾病提供了可能，为从头构建全新参考基因组提供了强有力的工具。
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总之，人类永远不会满足于现状。作为一个新兴且快速发展的领域，以测序技术为代表的生物样品数字化技术和其应用，必将保持高速发展的态势，为人类理解生命科学奥妙，提高生活质量，保护生物多样性等提供更快、更好、更便宜的工具。
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万物皆有灵
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生命中的四张牌“A”“T”“C”“G”，让所有生物“同”并“相联”。你可能不知道，人类与小草、苍蝇、鱼、老鼠、猴子、猩猩的基因组竟有如此多的共同之处。人与人之间，无论民族、种族，差别都不会超过千分之五。人类与世间万物始自一个本源，万物生长，灵动不拘。
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