華大智造刷新測序儀通量和成本紀錄,超大規模測序時代未來已來?

deeptech深科技 發佈 2024-05-15T09:11:41.126415+00:00

DNA 是生物體的主要遺傳物質,存儲著生命的遺傳密碼。基因測序技術是闡明和理解基因結構、功能、變異以及表達調控的基礎,能夠解碼 DNA 遺傳信息,對於生命科學研究、臨床診斷和治療等至關重要。伴隨著技術的優化和升級,基因測序的通量及成本正在以 「超摩爾定律」的速度發展。

DNA 是生物體的主要遺傳物質,存儲著生命的遺傳密碼。基因測序技術是闡明和理解基因結構、功能、變異以及表達調控的基礎,能夠解碼 DNA 遺傳信息,對於生命科學研究、臨床診斷和治療等至關重要。


伴隨著技術的優化和升級,基因測序的通量及成本正在以 「超摩爾定律」的速度發展。從 2003 年「人類基因組計劃」完成以來,人類全基因組測序行業的通量和成本經歷了重大的變化。從歷時 13 年、耗資近 30 億美元,2007 年的測序成本需要 100 萬美元,到 2020 年降低至 1000 美元以下,再到 2022 年降至 200 美元...


全基因組測序通量的提升和成本的下降,勢必給整個行業的發展和應用帶來巨大改變。


近日,在 2023 年基因組生物學技術進展會(AGBT)上,華大智造發布超高通量測序儀 DNBSEQ-T20×2,該產品同時刷新了業內通量和單例成本紀錄。根據官網描述,DNBSEQ-T20×2 可以支持 6 張載片同時運轉,每年可完成高達 5 萬人全基因組測序,且單個人全基因組測序成本降至低於 100 美元。


這款產品面向大規模測序,是具有超強生產規模的「超級測序工廠」,能夠滿足更多人群對更高通量、更低成本以及更大規模基因組項目的需求。



官方通稿指出,本次 DNBSEQ-T20×2 的發布,標誌著個人全基因組測序成本降至 100 美元以下,有望真正開啟 100 美元基因組時代。這也預示著基因科技正在走進每個人的生活。


有業內人士指出,DNBSEQ-T20×2 的問世進一步增加了基因測序的可及性,未來人們做一次全基因組測序可能會像買一件衣服一樣自然,每個人都能負擔得起。


底層技術創新加速基因科技的可及性


「基因科技,普惠大眾」是華大智造等一眾基因測序公司的一大願景。不過,要實現這一點,核心是要從底層技術端實現突破和創新。


基因測序產業整體可以分為上中下游,測序儀則屬於行業上游,它是基因檢測以及基因編輯、基因合成產業中的決定性設備。測序儀板塊包括基因測序儀及配套設備、測序配套試劑、數據處理系統、售後維保服務和產品技術支持服務等。


這是基因測序產業鏈的起點和關鍵環節,它為整個中下游測序服務提供最基本的測序支撐,是技術壁壘最高的部分,處於整個產業鏈條的價值鏈頂端。測序儀對於基因產業,地位類似於汽車行業的發動機,通信行業的晶片等等。它是基因測序行業「王冠上的寶石」,也是領域內發展的「底層基建」。



有業內人士明確指出,只有不斷疊代測序技術,推出測序儀提升通量、降低成本,整個基因科技產業才可能走進公眾醫療領域,繼而擁有更廣闊的商業前景。


回顧測序技術的發展,1977 年 Walter Gilbert 和 Frederick Sanger 共同發明了第一代測序技術,也稱為 Sanger 測序技術,包括雙脫氧鏈終止法與化學降解法以及其衍生方法。該技術在「人類基因組計劃」中得到廣泛應用,不過 Sanger 測序技術每次只能運行 700 至 1000 個鹼基的 DNA 序列,通量較低,相應的成本也很高。這也表明,該技術無法滿足對生物基因序列大規模測序的需求,高成本也限制了基因測序行業的商業化發展。


隨之,高通量測序技術(也稱為下一代測序技術,簡稱 NGS)應運而生,這是對第一代測序技術變革性的改變,在測序原理、測序過程、適用範圍及測序結果等方面存在本質不同。利用高通量測序技術,通常一次性可測定幾百萬到幾十億條核酸分子的序列,能夠產出不低於 100Mb 的測序數據。


由於在通量和準確性得以大幅度提升,高通量測序技術促進個人全基因組測序成本從數十萬美元降低至數百美元,同時也加速了基因組學在臨床中的應用。根據美國國家衛生院的數據,隨著高通量測序技術的大規模使用,人類全基因組測序的成本快速降低,在 2009 年降低大約 10 萬美元,在 2015 年已降低至大約 1,000 美元,此後成本持續下降。


也因此,高通量測序技術成為了當前市場商用的主流測序技術。NGS 測序儀細分賽道被視為「兵家必爭之地」,占據了大部分市場份額。


高通量測序時代,市場主要由羅氏、Illumina 和 Applied Biosystems 公司(後被 Thermo Fisher Scientific 收購)所壟斷。尤其是 2005 年-2010 年之間,Illumina 率先進軍大型基因組研究中心,搶占了先機,發展成為基因組測序高通量時代的霸主。根據 Grand View Research 2020 年發布的市場報告,Illumina 在 2019 年全球測序儀與耗材市場(包括三代測序在內)的市占率為 74.1%,相關業務收入 30.68 億美元,其中占據中國市場 61.9% 的份額。



視線轉回國內,過去很長一段時間,中國在基因測序相關產業中集中在產業鏈的中下游,在基因測序上游領域布局鳳毛麟角,甚至可以說是「卡脖子」的技術。而精準醫學時代,要掌握更多的基因科技資源首先需要實現關鍵設備的自主生產製造,從而免於受制於人。


直到華大在 2013 年收購美國的測序儀公司 Complete Genomics ,中國的基因測序產業才開始真正布局上游產業鏈。這也是華大入局測序儀研發的一個重要節點。2016 年,華大集團將測序儀業務正式拆分為華大智造,隨著對 Complete Genomics 資源整合的完成,該公司決定轉變思路,開始重點研發桌面型測序儀。


領域內技術的創新和「內卷」將不斷推進測序技術和設備的疊代更新,並進一步降低測序成本。


揭開「一百美元基因組測序」新時代


2003 年「人類基因組計劃」的完成,標誌著遺傳學研究正式進入到了基因組學時代。伴隨底層技術的發展進步,基因測序也朝著更大樣本量、更多數據量以及更多物種的方向發展。這些方向的發展,也向基因測序提出了新的要求,領域內需要持續改善兩個最重要的指標,即通量和成本。


在此背景下,Illumina、華大智造以及 Element bioscience 等基因測序儀初創公司紛紛都在發力高通量、低成本基因測序,並不斷地疊代新品,刷新各自測序儀的通量、讀長及成本記錄。


回顧基因測序歷史,第一個人類基因組計劃的完成,歷時 13 年,花費 38 億美金;2003 年之後,利用 Sanger 法完成單人全基因組測序的成本也超 5000 萬美元;2010 年,Illumina 推出 HiSeq 2000 系列測序儀,HiSeq 2000 的運行通量達到 200 Gb 的序列數據,讀長為 2×100 bp,費用低於 1 萬美元;2015 年,華大推出第一代 BGISEQ-500 測序儀,通量在 8Gb—200Gb 之間,單人全基因組測序的成本降至 600 美元,這是人類基因組測序價格首次下降到 1000 美元以內;2017 年,Illumina 推出 NovaSeq 系列基因測序儀,其中 NovaSeq 6000 系統的全基因組測序通量可以達到 6 Tb,成本也降低至 1000 美元以下。


自此,人類全基因組測序真正進入一千美元時代,這比 2003 年的成本降低了百萬級,比 2010 年降低十萬級。全基因組測序單位成本從上億美元降至千美元用了大約 15 年的時間。



腳步從未停下,百美元基因組時代正在到來。2018 年,華大智造推出超高通量測序儀 DNBSEQ-T7,每年可完成 1 萬人的全基因組測序,使得人全基因組測序在全球範圍內率先進入 500 美元的區間;2022 年 9 月,Illumina 發布 NovaSeq X,只需 200 美元即可完成單例人類全基因組測序;2023 年 1 月,Element 宣布「即便桌面級的測序儀也能享受 200 美元基因組的低成本測序解決方案」。


2022 年 5 月底,一家美國基因組學檢測初創公司 Ultima Genomics 帶著 6 億美元正式出道,並宣稱正在開發一個全新的高通量、低成本測序平台,要將人全基因組測序成本降至 100 美元。不過,該公司的測序儀還處於研究驗證階段,尚未實現商業化。


真正拔得「一百美元基因組測序」頭籌的是 DNBSEQ-T20×2(T20),這是華大智造又一款 T 系列重磅產品,發布當日即開始上線銷售,已實現商業化量產。此前,華大智造在 2018 年推出 T 系列產品高通量測序儀 DNBSEQ-T7(T7),通量達到 6Tb,這是當時全球通量最高的測序儀之一,24 小時即可完成 70 個 30×的人類基因組測序;2020 年,又推出了可定製化的基因測序儀 DNBSEQ-T10×4(T10),單日最大數據量達到 17T ~18T,通量高達 76.8T。


T10 屬於定製化產品,而 T20 可以理解為 T10 量產化的標準產品。T20 青出於藍而勝於藍,在通量和成本上更進一步,既繼承了 T10 高通量特點,單日最大數據量超 20T,通量達到 72T。該產品的測序通量是常規超高通量測序儀的 4.5 到 7 倍,每年可完成高達 5 萬人全基因組測序。還優化了產品設計、減小了重量和體積,成本更是降低到 100 美元以下。



根據官方通稿中的描述,T20 還採用了並行的開放式測序系統,並採用創新的浸沒式生化反應技術,能夠極致降低將耗材成本。而相較於 Ultima Genomics 宣稱的 100 美元,華大智造作為全球唯三能量產臨床級高通量測序儀的企業之一,才切實讓一百美元基因組真正具備了落地的條件。


華大智造超高通量測序儀 DNBSEQ-T20×2,有望真正開啟「一百美元基因組測序」的新時代。


可滿足大規模測序,推動基因科技普惠


測序設備的技術革新加速了基因測序通量的提升和成本的下降,以基因組學研究改善人類健康這一目標也在不斷落實。


當前,包括美國、英國、法國、阿聯、日本和新加坡在內的多個國家已將基因科技作為精準醫療和精準預防的核心科技支撐,紛紛開啟了大人群基因組計劃。華大智造基於 DNBSEQ 測序技術搭建的 T 系列超高通量測序平台,已經在全球範圍內支撐多個國家級別基因組項目落地,包括阿聯啟動的全球首個 「全民基因組計劃」、印度尼西亞首個「國家基因組計劃」、和「泰國基因組學綜合行動計劃」等。


大人群基因組研究能夠為人類提供關於疾病的全新認知,以及全新的檢測手段和干預措施,是基因組學推動精準醫療與健康管理變革的重要應用。窺視現實,雖然千人基因組計劃、腫瘤基因組計劃等取得了一系列成果,但是大人群基因組研究仍然面臨基因組數據不足的難題。這對基因測序設備技術的水平,對基因測序方案的通量、成本、精準度、智能化等提出了更高要求。


根據官方資料,華大智造 DNBSEQ-T20×2 為滿足最具挑戰性的測序需求而生,可為超大規模的基因組項目提供一站式工具包,實現從樣本到報告全程自動化以及後續數據全流程監控。一套 T20 可包括樣本製備系統及試劑、自動化建庫設備、建庫試劑,以及一系列支撐海量數據處理的工具和模塊,如:具備 Pb 級數據存儲和生信分析加速處理能力的 ZTRON Pro,以及可實現樣本管理、實驗室生產、基因數據管理的 ZLIMS Pro+。



所有重任一肩挑,相比此前市場上的儀器,T20 更容易滿足大人群、超大規模基因組測序,尤其是百萬級別國家基因組項目快速啟用的需求。同時,T20 低於 100 美元的單例人全基因組測序成本,能夠從測序成本的源頭上推動大人群基因組等超大規模測序的研究項目普及開展。


「從 20 世紀初蔓延全球的大流感,到非小細胞肺癌的流行病學,人類與疾病鬥爭的過程,深刻體現了組學大數據對於疾病精準判斷、合理用藥、有效治療的關鍵作用。」


中國科學院陳潤生院士在 2022 年的大人群基因組研究鼎峰論壇說道,「醫療體系正在發生本質變化,從診斷治療轉變為健康保障,並帶來從科學研究到產業等層面的一系列改變。」


在 2023 年當下這個時間點,隨著 T20 的 100 美元基因組如期而至,「基因科技,普惠大眾」已然擁有強大引擎。


參考資料:

1.https://en.mgi-tech.com/news/370/

2.https://www.mgitech.cn/Home/Products/instruments_info/id/44.html

3.https://mp.weixin.qq.com/s/5gkrD-9LFjOT12mffsOM9A

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