发明二代测序技术背后的故事

2022年的突破奖生命科学奖项授予了法国生物物理学家Pascal Mayer （帕斯卡·迈耶尔）与剑桥大学化学系的两位教授：Shankar Balasubramanian （香卡·巴拉苏布拉曼尼安）和 David Klenerman（大卫·克莱曼），以奖励他们在开发大规模平行DNA测序方面的贡献。这个方法很多读者都不陌生，也就是现在Illumina所在推广的测序技术。

而今年五月份的千禧年大奖只授予了香卡和大卫·克莱曼，当时引发了学界的不满，帕斯卡·迈耶更是发公开信质疑这一决定不够严谨，而显然这一次他的贡献被载入了正史。而实际上，帕斯卡·迈耶的工作和香卡/大卫二人的工作既独立开展又走向了交汇，相辅相成，奠定了现在illumina SBS化学体系的基石。

在剑桥，似乎许多成功的故事都是从酒吧开始的。剑桥最著名的酒吧可能就是Eagle。20世纪50年代，弗朗西斯·克里克(Francis Crick)和詹姆斯·沃森(James Watson)经常在这家酒吧吃午餐，在1953年2月的一天，克里克冲进“老鹰酒吧”，宣布他和詹姆斯·沃森已经“发现了生命的秘密”——即 DNA 的结构。自此，现在分子生物学的基础被奠定。

而大卫·克莱曼和香卡·巴拉苏布拉曼尼安也是在剑桥的 Panton Arms 啤酒花园中勾勒出他们对DNA 测序技术的开创性构想。香卡的日记将 1997 年 8 月 26 日记为“The Solexa Idea”的日子。他们的构想是在 DNA 聚合酶组装dna分子时通过观察复制基因组的酶，实际上就阅读了dna的序列信息。他们提议将一条 DNA 链锚定在一个表面上，使用 DNA 聚合酶及可以测量的有色模块构建一个新的copy链。而且他们计算出这样的化学体系进行测序可以以非常快的速度进行，使得测序可以扩展且成本降低。在1997年 8 月的那个晚上，在 Panton Arms他们将“拼图拼凑起来”，看到了一种全新的、可以扩展的、大规模测序DNA的方法。

Shankar 回顾了他 1997 年的日记，后来他在日记中写下了“Solexa 的想法！” 在 Panton Arms 的“会见 Klenerman & Co”旁边。

他们做了一些概念验证实验来证明这种方法是否可行。为了进一步推进技术开发，在经历了大约 9 个月的尽职调查后，1998 年在 Cambridge Enterprise 的帮助下，他们从 Abingworth 筹集了种子资金，成立了 Solexa 公司。

而独立于这个剑桥故事，帕斯卡·迈耶尔更多的工作是在瑞士完成的，他在博后工作阶段就构想了基于colony/cluster开展的大规模平行测序的原理。帕斯卡·迈耶尔于1996年在Geneva Biomedical Research Institute/GBRI工作开始就与其他同事一起着手了这一原理的开发，并在1997年4月的两项关键专利中披露了相关的方法。同年底，Serono雪兰诺并购了GBRI及这个测序项目，重组为SPRI。到2000年中，帕斯卡·迈耶尔说服雪兰诺分拆孵出了GenInEx/Manteia Predictive Medicine公司，进一步开发成簇测序的技术及自动化测序的原型。到2003年中，Manteia已经在簇形成方法学、流程及可剪切终止子/fluorophore化学体系上验证了概念。雪兰诺停止了对Manteia的资助，并将相关技术专利出售给了Solexa公司。

Solexa在Manteia成簇技术的助力下，结合自己的化学体系/酶学，经过进一步开发流程，使其大规模并行，逐渐取得了成功。一个很大的转折点是Solexa在 2006 年建造并交付了第一台测序仪，即 1G 基因组分析仪。一年后Solexa被Illumina以 6 亿美元的价格收购——今天来看这个价格很划算。此举奠定了illumina市场主导的地位，Illumina 采用了 Solexa 的技术并对其进行了“一百万倍”的改进，开发了从根本上缩短运行时间的技术和平台，并持续降低了测序的成本，这非常了不起。一直到现在，Solexa-Illumina 测序服务了全球约 90% 的 DNA 和 RNA 测序需求。

对于发明这项技术的三人来讲，技术的影响和实用性已经远远超出了想象，不管是癌症、罕见遗传病还是传染病，测序已经革命性地改变了医学实践。大卫说，“让我感到惊讶的是，我们在不到 10 年的时间里就从一张纸变成了全世界都在使用的东西。”但设想将来100美元的基因组时代，或许现在它仍处于起步阶段。

神奇的是，我们现在轰轰烈烈的基因组革命实际上就是在 Panton Arms 的一品脱啤酒的烘托下勾勒出来的。香卡说，“我曾经告诉酒吧老板，有一天我会让他出名。” 11年后，在 2008 年 11 月，Panton Arms 的老板成为Nature上的一篇论文的 100 位作者之一，该论文描述了使用香卡/大卫所开发的测序技术对第一个非洲基因组进行测序。

Panton Arms是剑桥大学化学工程系科学家经常光顾的一个酒吧。它在2010年变得广为人知，一群科学家在这里宣布了Panton法则，关于如何向公众授权和标注科学数据的一套推荐规则，这是他们于2009年6月开始在Panton Arms起草的。

打卡约起吧，下一次在 Panton Arms 喝一杯！