1700235111
生命密码2：人人都关心的基因科普 [:1700232030]
1700235112
生命密码2：人人都关心的基因科普 超级测序仪争霸战
1700235113
1700235114
如果说19世纪是蒸汽机的世纪，20世纪是汽车和计算机的世纪，那么21世纪就是生命科学的世纪。自从DNA双螺旋结构于1953年被发现之后，生物学家便认识到，生物DNA中的A、T、C、G碱基排列信息包含了生物的全部遗传密码。因此，测定DNA序列就成了解读生命遗传信息、研究生命科学的重要基础。
1700235115
1700235116
作为生命科学研究最核心的基础工具，基因测序仪在当前中美科技竞争中占据举足轻重的地位。如果你感受过独步世界的中国高铁技术，见证过中国发射的量子卫星，听说过独占世界超算排行榜长达5年的中国超级计算机，那么估计你也不会怀疑中国基因测序仪的全球领先地位。
1700235117
1700235118
生命是一种语言：测序技术的诞生
1700235119
1700235120
1953年，随着DNA双螺旋结构的解密，人类开始惊叹于生命密码的神奇。这么简单的分子结构，是如何实现如此复杂生命系统的维系和传递的呢？后来，科学家们轰然领悟：原来生命密码是一门语言，一门有着高级语法、语义和应用环境的语言！于是，解读这门语言的技术也就随之诞生了。
1700235121
1700235122
1964年，美国康奈尔大学的生物化学教授罗伯特·霍利（Robert Holley）发明了最早的测序技术。他用不同的RNA酶对酵母AlatRNA进行酶切，根据反应后产物中的重叠序列间接推导完整序列，最终分析出酵母Ala-tRNA的77个核苷酸序列，Ala-tRNA也因此成为生命科学史上第一条被“解读”的核苷酸序列。这种测序技术叫前直读法，虽然以现在的眼光看来，该技术流程烦琐，难以重复，而且无法给双链DNA测序，但此法开创了测序技术的先河。
1700235123
1700235124
在之后的十余年间，生命科学领域的3个重要技术日趋成熟——分子克隆、凝胶电泳和放射自显影技术。分子克隆技术是将目的DNA片段装入载体（比如质粒），然后把载体转入宿主细胞（比如大肠杆菌）中，通过细胞的扩增、繁殖来获得大量相同的DNA片段。而凝胶电泳和放射自显影技术的联合使用，极大地提高了DNA片段的检测长度、数量敏感度和精准度。基于这三大神技，直接在凝胶上按顺序直观读取DNA序列的测序技术，也就是直读法，便应运而生。
1700235125
1700235126
DNA测序技术的奠基人，当属美国康奈尔大学的华人生物学家吴瑞。吴瑞于1970年首创DNA测序方法，又于1971年将引物延伸法（primer extension）用于DNA测序，为日后的Sanger测序法提供了技术基础。此外，吴瑞还是中美生物化学与分子生物学联合招生项目（China–United States Biochemistry and Molecular Biology Examination and Application Program，CUSBEA）的奠基者。在改革开放之初，不少美国大学因为不了解中国学生的素质，对招收中国留学生心存顾虑，吴瑞运用自己在美国学术界的影响力促成了这个项目，使优秀的中国学生能在美国接受先进的教育和培训，为中国生命科学领域培养了大批人才。
1700235127
1700235128
1975年，英国大神级生物化学家弗雷德里克·桑格在吴瑞测序方法的基础上发明了生命科学领域划时代的测序技术——双脱氧终止法（Dideoxy Chain-termination Method），又称Sanger测序法。两年之后，他利用此技术成功测序出ΦX174噬菌体的基因组序列——这是人类解读的第一个完整的生物体基因组全序列。
1700235129
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。
1700235131
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。
1700235133
1700235134
测序技术自动化
1700235135
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。
1700235137
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。
1700235139
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。
1700235141
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。
1700235143
1700235144
高通量测序技术问世：三雄争霸
1700235145
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）。
1700235147
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。
1700235149
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。
1700235151
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。
1700235153
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。
1700235155
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。
1700235157
1700235158
1700235159
1700235160