从基因组学到多组学，纳米孔测序还可以做更多？

在国内，近2年间，纳米孔测序仪行业的应用创新和模式创新，密集出现。一方面，国产头部厂商接连发布和迭代纳米孔基因测序仪，国产纳米孔基因测序仪和相关耗材、软件的生态不断完善。另一方面，越来越多的实业巨头跨行业加入纳米孔基因测序仪的产品研发和商业化激战，加速了这项创新生物技术的商业化落地，也拓展了应用边界。

尽管如此，相比于稍早十几年出现的高通量测序技术，纳米孔测序技术的商业化发展还在路上。现阶段，纳米孔测序的商业化体量还不大。根据英国企业ONT发布的最新财报，这家全球领先的纳米孔基因测序仪厂商的业绩，在2023年上半年取得了显著进步，实现营收8600万英镑。而高通量测序技术代表企业Illumina，在业绩滑坡的2023年上半年，仍收入22.63亿美元。

那么，国产纳米孔基因测序仪的商业化走到哪一步了？它的产业链价值到底是什么？

“应该说，纳米孔测序技术还没有完全成熟。”齐碳科技首席科学家白净卫博士告诉动脉网，“在大多数情况下，纳米孔测序技术是作为二代测序技术的补充。”

齐碳科技首席科学家白净卫博士  图片来源：受访者供图

纳米孔测序法采用完全有别于二代测序技术的理化方法。

在基因测序的过程中，纳米孔测序利用核酸带有电荷的物理属性，在接通电源的溶液中，引导被测序物质穿过薄膜上纳米尺度的孔洞，造成孔内离子电流变化。由于ATCG碱基结构不同，穿过孔洞时产生的离子电流变化会存在细微差异，通过记录这些细微差异，即可呈现过孔核酸的碱基序列。

商用的纳米孔测序主要采用链测序法，能够实现单分子连续测序，从而绘制出完整的基因序列。在频频出现的突发公共卫生事件中，纳米孔测序仪快速检出未知病原体，被更多人了解。实际上，纳米孔测序技术的商业化脚步是相对缓慢的。纳米孔测序技术最早在出现在上世纪80年代末，2014年开始，商业化的纳米孔测序仪陆续问世，在科研领域，纳米孔测序的应用已遍地开花，但IVD端的市场应用却没有快速打开。

这背后的原因在于，一方面，商业化纳米孔测序仪工程化成熟化难度极大，另一方面，准确率及成本等还有待进一步优化以支撑大规模商业化应用需求。

据白净卫博士介绍，发展至今，纳米孔测序技术走完了商业化最早期的阶段，即基本解决了从测序原理到工程样机构建过程的技术难题。但从工程样机到商业化应用，却还有一系列复杂、未知的问题需要探索，前者依托科学家的极致思维，而后者更多考验工程化能力。

具体而言，要大规模实现商业化，对纳米孔测序仪来说，需要在保持使用便捷度的同时，持续提升准确率、降低成本，白净卫博士说，这也是齐碳一直在思考和摸索的商业化命题。

首先是基于结构生物学和算法模型的准确率提升。对于纳米孔测序而言，纳米孔蛋白所具备的生化性能，是影响测序准确率的关键要素。通过不断优化结构生物学设计，搭配合适的生物酶，可以在一定程度上提高纳米孔测序仪的测序准确率。比如，齐碳科技最新发布的QPursue中通量测序平台，适配最新一代K2生化体系，搭载全新算法套件，单次准确率达97%。

齐碳科技QPursue-6k中通量测序仪  图片来源：受访者供图

此外，对下机数据的算法配合，也是提升纳米孔测序仪准确率的核心环节。除了优化纳米孔和生物酶，据了解，齐碳科技还基于对通用神经网络的设计和调优，尝试将纳米孔测序的准确率从97%继续提高一个新的水平。而在纳米孔测序的准确率达到一定水平后，每个百分点的提升，都意味着极大的技术挑战和进步。当然，算法的介入会在一定程度上推高测序成本，这就需要在纳米孔测序仪准确率提升的同时，降低硬件支撑的复杂度，保持测序仪的小巧、便捷。

其次是基于测序通量和芯片材质的成本降低。基因测序的下机数据，会以字节形式存储。一个碱基对应一个字节，测序通量越高，产生的数据体量越大。二代测序技术的广泛应用，在很大程度上得益于通量的大幅提升和单Gb数据测序成本的断崖式下降。这个逻辑在纳米孔测序仪的商业化进程中同样适用。

据了解，齐碳科技利用提高自主电路设计的集成度，来实现测序通量的提升。“这个过程并不容易，集成电路被设计出来，并不意味着一定能用。”白净卫博士表示，“从某个角度来讲，在推动纳米孔测序通量提升的同时，我们还解决了国产晶圆的代工封装和整体测试问题。”齐碳科技此次发布的中通量测序芯片QCell-6k就是采用密度更高的ASIC电路排布方式，将生物芯片和电路芯片合二为一，单芯片搭载孔数超过6000个，实现通量的大幅提升的同时，测序成本也随之降低。

最后是基于应用流程的一体化构建，提升使用的便捷度。前面提到，纳米孔测序仪体积小巧，可以作为实验室集成化、自动化网络的一个节点，与各种各样的生命科学仪器搭配使用，也可以提供从样本处理到结果分析的全链条整体解决方案。这种相对简便的形式，在基层实验室、野外科研方面，无疑具有很大的应用空间。

商业化已然起步，但纳米孔测序的应用场景还可以在哪里？动脉网在READs2023·中国纳米孔基因测序峰会上，找到了些许答案。

READs2023·中国纳米孔基因测序峰会  图片来源：受访者供图

人类基因组计划中国部分总工程师、中国科学院微生物研究所研究员胡松年一直关注纳米孔测序技术的演进和应用。他发现，近5年来，几乎所有基因组测序项目都有纳米孔测序的身影，当下完成一个高质量基因组测序已经变得“简单粗暴”，即以纳米孔测序为主。

其中，四川大学华西基法学院侯一平教授研究团队将纳米孔测序应用到了法医遗传研究中，已在法医遗传顶刊发表了两篇研究成果。此外，在肿瘤融合基因、公共卫生防疫、动物疫病防治、环境微生物组学等多元应用场景下，纳米孔测序正在更多的领域展示出它的价值和潜力，商业化之路扬帆起航。

如果把基因组看作是一整块拼图，对于同样一张拼图来说，二代测序是由1000块的小拼图拼接成，纳米孔测序则由100块拼接而成，显而易见，后者的拼图难度大大降低。此外，纳米孔的长读长属性，更能看到基因片段中的缺失、重复等大规模的结构变异，从而获得更加清晰、完整的生命信息。2022年4月1日，《科学》杂志刊登的人类基因组完成最后8%，就是利用了长读长测序的这个优势。

纳米孔测序在基因组研究领域已经彰显出十分巨大的应用潜力，而一旦将观察的视角转移到更远的未来，或许还存在着纳米孔测序真正打破应用边界的可能性。比如，纳米孔测序已经可实现RNA的直接测序。更进一步，纳米孔测序的应用正在突破以核酸为边界的限制，在多肽、小分子层面，也可以实现测序。

白净卫博士表示，本质而言，这项技术是一种链测序法，想要测序的物质只要是一个连续的链，找到合适的方法，就可以像过磁带一样，将物质从孔里拖拽过去，从而实现输出信号。

比如，将纳米孔应用在多肽测序中，在短多肽情况下，已经可以实现磷酸化的测序，这也纳米孔测序研究非常热门的一个方向。在肽链穿过纳米孔的过程中，携带有1个磷酸化修饰或者2个磷酸化修饰，所产生的离子信号阻隔是不一样的。值得关注的是，纳米孔测序体系对多肽修饰非常敏感，可以输出明显的测序信号。尽管纳米孔的多肽测序还处于研发早期，有很多科学问题有待解决，这个方面应用的进一步优化，无疑将拓展纳米孔测序在临床上的应用边界。

动脉网了解到，使用纳米孔检测小分子的热度也迅速提升，纳米孔的修饰会提升小分子检测敏感程度，会产生差异化的过孔信号，从而形成纳米孔小分子检测的基础。

洞见万物，这才是纳米孔测序技术最让人兴奋的所在。我们相信技术迭代和商业化能力持续提升之下，纳米孔测序技术能够为人类更好地洞悉生命，提供更丰富的价值。