Helicos测序仪的再研发

上一篇 / 下一篇  2011-02-22 10:58:27 / 个人分类:Helicos测序仪的再研发

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  Helicos公司的比尔•埃福卡威奇有信心,生产一种可以在10天内以1000美元的价格,对一个基因组进行测序的机器。但这条路走得并不容易。

  在比尔•埃福卡威奇的带领下,我们参观了设在麻省坎布里奇市的Helicos生物科技公司的实验室。埃福卡威奇在一台电冰箱大小的3700DNA测序仪前停了下来。该测序仪是由美国应用生物系统公司(ABI)制造的,2004年以前,埃福卡威奇一直在那里工作。埃福卡威奇现任Helicos 公司分管产品研发的高级副总裁,他说:“3700DNA测序仪是对人类基因组进行测序的一个平台,而我曾领导了该仪器的开发工作。”现在,测序仪作为一种分析工具,支持着埃福卡威奇正在研发的一种新型基因组测序仪。Helicos公司承诺以仅1000美元的价格在10天内完成对人类基因组的测序工作,这些工作需要很多台3700型测序仪以数百万美元的价格在数年内完成。

  与埃福卡威奇此前的其它计划一样,Helicos公司的HeliScope测序仪是一项雄心勃勃的计划。 Helicos公司的工程实验室内有一台样机,类似冰箱大小。埃福卡威奇打开该仪器的一扇门,露出了它的触摸控制屏。客户“将被测序试剂上样到这下面的一个上样槽内,按动运行按钮,然后,什么也不用管,10~15天后,测序任务即可完成。”这样,一个基因组就完成了测序,过程就这么简单。

  HeliScope测序仪的研制是基于Helicos公司的“单分子测序”技术的,它可以通过合成互补链技术对数百万个DNA片断进行测序,不久将投入商务运作。在他用辞谨慎的发言中,埃福卡威奇介绍了他对该仪器的重大科学意义的想法,他说“将会以大约 1000美元的市场价格”使用HeliScope测序仪来对一个基因组进行测序,并且只需要大约10天时间。埃福卡威奇称,他对Helicos公司最终完成这一目标充满了信心,“我们在技术上取得了确切的革命性工作,它将使我们完成1000美元的基因组测序。”

  但是,在该仪器成为市场上的一种商品之前,还需要一段时间。

  聚焦于末端用户

  对于埃福卡威奇来说,从事一种高风险的研究项目并不是什么新鲜事。自20年前进入应用生物系统公司以来,他领导了一个又一个的产品研发小组,其中就包括了克雷格•温特博士,于2002年完成他个人基因组测序所使用的3700型测序仪。他说,“我们在使该平台走向市场方面承受着巨大的压力,时间表是非常具有挑战性的。”

  应该说,3700测序仪是应用生物系统公司最为著名的一种仪器,但是,埃福卡威奇认为更骄傲的是他在该公司的其他成就;1981年,他从科罗拉多大学的马尔文•卡鲁泽斯实验室完成了博士后学位后加盟该公司。那时,埃福卡威奇是生物技术这个正处在幼年期的行业中屈指可数的专家,领导着一个从事DNA合成技术研究的科学家团队。应用生物系统公司的遗传学分析研发部资深主任史蒂文•方说,正是埃福卡威奇将合成技术从卡鲁泽斯实验室带到了公司,“他在这里主持工作并使之成为了一个非常成功的企业” 。

  在接下来的几年中,埃福卡威奇小组的工作使合成寡核苷酸的工作变得更加有效和便宜。1987年,随着应用生物系统公司的发展,埃福卡威奇离开了寡核苷酸小组,从事开发高性能电泳色谱仪,以及后来的生物分析仪器:毛细管电泳仪和高性能液相色谱仪。

  比方说,埃福卡威奇早期的成功,有部分来自他与客户的联系。他说,“他习惯于与销售人员一起与客户进行交流。”这个与末端用户保持联系的习惯一直伴随着他与公司一起成长。1991年,埃福卡威奇成为DNA测序小组负责人,该小组在1995年成功地研制了 377测序仪、1996年研制了310测序仪、1999年则研制了3700测序仪。应用公司前任企管高级副总裁乔•史密斯说,他还记得在开发3700测序仪的过程中,埃福卡威奇将软件完全重新进行了编写。埃福卡威奇委托有关人员对软件的复杂性进行了研究,史密斯说,“有一天,他走进我的办公室,手里拿着这份复杂性结构图说,‘你相信吗?我们没有别的办法,只能重新编写程序。’”

  这样从头来过、对现有技术进行修改和改善的决策,在公司内并不是总是受到热情欢迎的,史密斯称,他说:“他在ABI公司做出了大量不受欢迎的举动,但它们都取得了有利的回报,凝胶业务就是最重要的一个。”埃福卡威奇提出了一个制造可以在DNA测序仪中使用的可补充电泳凝胶,以取代以往每个用户每轮测序工序都必须填充的需要。史密斯说,“没有人认为这种凝胶是可行的。”但是,经过埃福卡威奇的坚持不懈的努力和信心,这种可补充凝胶成为了一种目前尚在使用的技术,也成为了埃福卡威奇实现他不受欢迎的想法的明证。

  对直觉与风险的执着追求

  1999年,埃福卡威奇从研发部门调到了企业管理部门,工作中更多的成份偏重于开发微阵列的商业性事务。他说,“工作是极其有趣的,但是我发现我对财务收入没有什么欲望;我在应用生物系统公司的每一分钟都是快乐的,但我动了离开的念头。”

  2004年他离开了该公司。Helicos公司的CEO斯坦•拉普德斯与埃福卡威奇接触以吸引他的加入,他说,“他有一种超乎寻常的综合才能”,而且埃福卡威奇在应用生物系统公司的工作正好吻合了拉普德斯对研发负责人的寻找。

  埃福卡威奇回忆说,“我的第一反应是不,对不起。在从事了10年的DNA测序研究之后,我不想改行去研究另外一种测序仪。”但是,当他审视了Helicos公司的平台时,这种新的、基于斯坦福大学教授史蒂夫•魁克的发现的测序仪打动了他,他说,“我被该项目的简洁性所吸引。”

  这种名为HeliScope的技术开始于将基因组表面的样品切割为100个碱基对的片断。然后,测序仪将四种荧光类似物之一导入到DNA链上。如果该类似物正确地对应于该链上下一个核苷酸,它就将与DNA模板相结合。使用荧光显微镜,HeliScope仪记录下了与该核苷酸结合的四种类似物,洗脱掉那些未使用的类似物,并如此重复地在链上下一个核苷酸位进行记录。

  该技术是富有想象力,并且具有挑战性,令埃福卡威奇为之所动,他于2004年10月加盟了Helicos公司。在那里,埃福卡威奇领导了一个小型的科学家团队,并迅速地复制出了魁克的结果,得出了5个核苷酸的读出长度,他们还很快将该长度延长到了12个核苷酸。工作似乎进展得很快。

  但是,接下来的日子却成了“黑暗的日子”。埃福卡威奇说,“情况看来,似乎无论我们如何努力也无法超过12 个核苷酸的结果。”目标是到达25个核苷酸的读出值,但几个月下来,小组一无所获。在某种程度上说,公司已经准备砍掉其损失、完全放弃该项目,但是埃福卡威奇横跨化学和工程学的知识面,以及他以往开发技术中所积累下来的自信,使他度过了难关。

  最后,一个方程式的改变使读出值升至18。公司决定继续进行产品研发,相信25个核苷酸可以很快达到,但是研究工作再一次止步不前。

  几个月过去了,读出长度仍然止步不前,埃福卡威奇不得不再次召集他那些沮丧的科学家们开会。针对读出长度停留在一个平台值的情况,埃福卡威奇得出一个结论:Helicos公司用来测序的荧光类似物必须从根本上进行重新发明以保证准确性。埃福卡威奇说:“当我走进门口时,我的直觉告诉我:我们不能不走这条路。”

  这个决定并没有得到欢迎;埃福卡威奇甚至发现他的同事们开始对这项高风险的项目表示怀疑。他说,“他们的论据是强有力的,我不得不予以承认。”但是,如果没有新的类似物以进行精确的工作,测序仪的工作将前功尽弃。拉普德斯的答复是“没有问题,就死马当活马医吧。”埃福卡威奇在应用生物系统公司工作时曾与一些有机化学家共事过,他有了一个极好的主意来设计兼容的类似物。

  为了心中有数,他就教于Helicos公司“摇滚歌星”般组成的专家委员会,其中有劳伦斯•伯克利国家实验室主任史蒂文•朱、哈佛大学的遗传学教授乔治•丘奇以及霍华德•休斯医学研究院的尤金•梅耶斯。拉普德斯说他在建立公司中的经验告诉他一个强大的咨询委员会的重要性,尤其是在支持Helicos公司技术上雄心勃勃的目标方面。在创办公司时,拉普德斯、魁克和投资人傅拉哥西普•温彻斯向所有他们知道和曾经共事过的人发出邀请,以保证委员会由“具有相关经验的最佳人士”组成。

  埃福卡威奇说,委员会专家、哈佛大学化学教授刘大卫证实了类似物项目的可行性。拉普德斯和其他学术咨询委员会支持了埃福卡威奇,他因此得以雇佣了一个有机化学家团队来寻找新的类似物。埃福卡威奇说,“令我高兴的是,斯坦•拉普德斯和董事会鼓励这种精神上B型的计划,由于该概念经学术委员会成员们证实,确保了我们的下一步工作,我们又开始了风险性的工作。”

  激励团队

  风险性的工作最后于2006年打破了僵局。在那个夏天末的一天,一个Helicos公司的科学家注意到,在改变了测序过程中的一个步骤后,她的数据出现了一个变化。似乎是这样的:正是这个改变可以延长核苷酸的读出长度。埃福卡威奇抓住了这个细节,调集团队的力量进行攻关,很快,25个核苷酸读出长度便达到了。接下来的短时间内,有机化学家们将他们新设计的类似物交给了分子生物学家们,整个单分子测序技术就这样出台了。

  公司趁热打铁,全力优化了HeliScope技术,并打算将其推向市场。在2007年11月初,公司向公众宣布了新测序仪的价格:130万美元,配套试剂为1.8万美元。埃福卡威奇说,为了将价格降低到每个基因组1000美元,将需要两年时间进行化学优化工作,他们将不惜努力达此目的。Helicos公司的首席科技官帕特里斯•迈洛斯说,“我想他和他领导下的团队都有一种真正的紧迫感。我在每次会议上都看得出,时间很紧,我们还有大量工作要做。他做了大量的工作来激励他的团队。”

  埃福卡威奇对该该仪器的市场充满了信心,就如同他对技术的自信那样,而这正是Helicos 公司做出的所有事情的基础所在。但是,证券分析师们却没有表现出同样的信心。2007年11月,在一位分析师将其低档定位为“卖出”级别之后,Helicos 公司的股票从每股14美元降至了不到10美元。此前,从2007年5月公司上市以来,其股票市值一度涨到了15美元。到11月后期,其市场融资额大约为 2.09亿美元。

  那位低度评价Helicos公司股票的分析师引证了来自其他公司的竞争,其中包括应用生物系统公司,这也许并不奇怪。但是,当其它仪器还需要扩增测序仪或者并联测序仪的时候,HeliScope仪器被设计成将所有工作一步完成。埃福卡威奇说,“一些人说,1000块,你们这些家伙来晚了,言下之意是我们并不是第一家出台基因组测序技术的公司。但是我并不认为我们来迟了;我们在意的不只是现在20亿美元的测序市场,我们还在意下一代测序市场。”


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