基因测序科技文章登上《福布斯》封面

2011-1-05 13:54 来源: 新浪
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  最新一期的美国《福布斯》于2010年12月底正式出刊,本期封面文章标题为“基因测序科技突飞猛进”。文章对基因创业企业家Jonathan Rothberg和他发明的功能强大的基因测序仪器做了介绍。文章认为,这项发明可能会在医药、食品、能源,甚至消费产品上的一场革命,由此形成规模可达1000亿美元的科技市场。

图为2010年12月底出版的美国《福布斯》杂志封面

2010年12月底出版的美国《福布斯》杂志封面

  Rothberg发明的长宽高仅24X20X21英寸的基因解码器(decoder),可能会改变人类的生活方式。这件看似玩具、或是掌上电脑的小设备,的确可能是自个人电脑以来对科技界的又一次巨大冲击,且未来还会形成规模达1000亿美元的市场。

  解码器外部有一个8英寸的触摸屏,左侧有可把数据下载到iPhone的端口,屏幕下方有4个分别标有○、X、□和+符号的测试管。它们分别代表了形成人体DNA的最基本4个化学物质,鸟嘌呤(核酸的基本成分,guanine)、胞嘧啶(cytosine)、腺嘌呤(adenine)和胸腺嘧啶(thymine)。这台以硅芯片为基础建造的个人染色体检测仪(Personal Genome Machine,PGM),是当今世上体积最小、检测成本最低的上市产品。它可在2小时之内,以很高的精度解读出1000万个基因代码符号(letters of genetic code)。与现有使用大型电脑和服务器的DNA扫描设备不同,PGM可置于办公桌上,且售价仅5万美元,是当前具有同类功能仪器的十分之一。这也是史上首次科学家个人、社区医院和高校能够负担起的仪器。

  这项由Rothberg和其他工程师发明的小玩意还可用于改变医药、农业、纳米科技和在其他可再生燃料的探索。Rothberg称,在不远的将来,大夫通过DNA测序(DNA sequencing)就能对肿瘤部分的遗传缺陷点位进行修补,并根据癌症患者的不同情形有针对性地用药。患有先天性罕见疾病的儿童,可通对他们的更多染色体组做针对性的解码,以消除估计和误诊。

  PGM更适合于室外医疗环境。在第三世界工作的救险人员可使用这种便携式基因解码器跟踪造成水污染的细菌,或病毒。机场卫生官员能利用它对旅行者的基因做采样分析,在传染性细菌和病毒大规模爆发前对其进行跟踪。工程师还可利用PGM来设计和培养未来燃料的微生物。DNA测序还有助于农户培养出生长更快,抗虫害更强、更耐旱,且施化肥更少的谷物品种。合成生物学家(synthetic biologist)还能做到让细菌为人类服务,以制出洗涤液、服装、家具,甚至能够对裂缝有自我愈合功能的水泥。

  根据Rothberg的看法,基因测序今后会影响到人类生活的各方面。正如上世纪是物理学时代一样,本世纪是生物学世纪。他深信基因测序科技商品化后所形成的市场,可达到像医学检查成像(medical imaging)科技那样的1000亿美元规模。

  Rothberg创建过4家与遗传学相关的企业。发明PGM仪器的Ion Torrent公司,是Rothberg在3年前梦想能快速、便捷地检测DNA后所创建。Rothberg的发明引起了一家名为Life Technologies的专业生产实验室设备企业的强烈关注。在PGM正式生产前,Life Technologies去年秋季以3.75亿美元价格收购了Ion Torrent。有分子遗传学专家认为Rothberg有很美妙的创意,并能使项目团队合作的很顺利。

图为Ion Torrent公司生产的个人染色体检测仪

图为Ion Torrent公司生产的个人染色体检测仪

  基因组学(Genomics)的功效确实被过分宣传,到目前为止,其功效尚未都显现出来。当科学家10年前首次完成基因图谱时,他们曾标榜新科技能让老年痴呆、心脏病和精神分裂症等多种疾病的治疗更高效。但这一幕至今未出现。药品批准程序让事情变得更糟。对心脏病、糖尿病和其他常见病的遗传根源的探索,几乎让普通患者得不到任何有用信息。

  Rothberg认为,这是因为新科技还未强大到足以破解潜伏在像癌症和孤独症之后的基因秘密。人们从高中生物课本中就了解到,每个细胞中心内有60亿个构成DNA双螺旋体的化学代码(chemical letters)。其中一些可能处在遗传混乱状态,其大量作用尚待发现。散布在DNA周围的是2万个基因,这些物质在掌控身体,如何制造包括胰岛素、肌肉、血色素、脑组织、骨骼和凝血因子在内的几乎所有身体所需的内容。那怕基因内深藏只有一个出错的化学代码,都将会增加患上癌症或糖尿病的风险。

  寻找基因中致病的错误代码,并将它们从多种无害基因变化体中分离出来,将是破解巨量信息的重大挑战。但是,迎接挑战的科技也在高速改进。政府雇用的研究人员10年前,在花费了纳税人的30亿美元资金后,终于首次成功揭开了人类基因编码。在像基因传奇人物克雷格・文特尔(Craig Venter)等一批私人机构的努力下,人们现在只需花1万美元,再等上数周便能精确地解读自己的整个DNA序列。至今已有近3000人,其中大多数是在研究课题中获得了测序结果。有基因测序专家称,能够获得测序结果的人数到2012年时会猛增至数十万人。在美国立卫生研究院(National Institutes of Health,NIH)主任Francis Collins看来,现在能做到的事情在数年前简直想都不敢想。

  尽管顶级的医学刊物在连篇累牍介绍遗传学的研究成果,但大多数科学家还是未接触到DNA解码科技(DNA-decoding technology)。现有的基因测序仪器如同上世纪60年代售价高达60万美元的大型电脑,每项测序结果都需等上1周,并还需要技术团队来运行测序仪器。据高盛公司的报告,在全球1400套的测序仪器中,有半数都安装在20个大型学术和政府研究中心内。

  Rothberg发明的设备可通过高速分析和分析设备广泛扩散来改变这一切。他称,当前仅400个实验室在进行基因组学的研究。但他想借助PGM把该领域扩大到4000个研究团体,由此让针对遗传学问题的研究团体的能力成倍提高,让目前难以进行的实验大量增加。据加州大学戴维斯分校研究员Jonathan Eisen和哈佛大学基因研究员、基因测序开拓者和Ion Torrent公司顾问George Church的看法,未来对这种新仪器、新科技的需求极大。他们甚至认为PGM未来会像iPad那样,每个遗传学者人手一个。

  但是,测序科技和仪器到目前还只是很小的市场,硬件规模仅15亿美元,面对的用户都是科学家。据普华永道会计师事务所(PricewaterhouseCoopers)估计,医学基因检测和另一些分子诊断学(molecular diagnostics)构成了另外的26亿美元市场。

  Rothberg大胆设想的未来20年可能会出现的市场行情如下。

  治疗癌症是短期内的最大应用市场。当今癌症患者治疗的开支都达到了数十万,甚至上百万美元。一些乳腺癌患者已开始接受专业化的基因检测,以帮助大夫针对患者的具体情况对症下药。若类似基因测序能成为欧、美两地400万乳腺癌患者的常规检查,仅此一项就可形成200亿美元市场。还有些患者因肿瘤扩散和变异,因此可能需要多次做测序,由此让市场总规模可达到400亿美元。

  另100亿美元市场可能来自对患有罕见遗传疾病,或有其他基因危险因子(genetic risk factor)的儿童和成年人做测序。另外,对基因测序所获得的复杂信息的理解和说明,以及向患者解释这些信息的意义这一全新的医疗专业领域,也会带来另一100亿美元市场。

  在医院、机场和在购物中心等一些公共场合跟踪传染病,以分解出微生物,并防止它们流行的业务大约也能形成100亿美元的市场。

  若测序成本继续下降,富裕人群作为一种预防手段,会开始对自己和下一代的新生儿做基因组测序。若每年有5000万人以每次检测花费2000美元计算,市场规模也可达100亿美元。这样,全球市场规模已达800亿美元。

  畜牧业筛选最佳配种和使农作物更高效产出的种子优选,可能再带来50亿美元的市场。

  还有像探索其他人造生物燃料,设计用于洗涤液的新型酶,以及一些目前尚未想到的新应用,也可轻松形成150亿美元的市场。由此让PGM应用市场共计达1000亿美元。

  与所有创新中潜伏的不确定风险一样,基因测序仪器也可能会失败。其成功有赖于新科技进一步提高的速度,使用新设备后的研究者能有新发现的速度,特别是治疗当前各种疑难杂症的新药是否能尽早出现等一些不可预知的因素。

  基因检测的价格还会下降,让每次检测如同检验血糖和胆固醇等血指标一样而成为利润率更低的项目。但即使如此,该领域的市场也可达400亿美元。Rothberg发明的设备可能无法获胜,就像1980年代垄断着PC市场的Commodore64家用电脑很快从市场上消失一样,PGM也可能有同样命运。

  目前至少有十多家创业企业在这一领域内竞争。位于加州Menlo Park地区的美国太平洋(11.01,-0.04,-0.36%)生物科学公司(Pacific Biosciences)在创投基金投入3.7亿美元后,又于去年10月首次公开发行股票上市筹集2亿美元。公司的基因测序仪器将于今年初面市,它还是首次可对单个DNA进行测序的仪器。在相距不远的山景城(MountainView)的整合基因公司(Complete Genomics)甚至认为,DNA测序会变为一项像病理学那样的服务业。在此领域内,所有信息都需要送到超大型的中央实验室去处理。

  与早期PC机情形类似,Rothberg发明的小巧仪器PGM尚无法与Illumina公司的巨型设备匹敌,因前者每次只能对人类基因的很小一部份做测序。它仅有助于大夫检测少数致病基因引发的肿瘤,并核查针对特定肿瘤的药物是否有效,或用于传染病研究人员想要核实唾液,或水中究竟有哪些种类微生物存在。

  至少眼下Illumina的CEO Jay Flatley认为PGM对公司产品构不成威胁,因为公司的研究进展比任何竞争对手都快。的确,Illumina的设备每次基因测序处理的信息是PGM的1000倍。Flatley还称,公司的研究团队正集中精力开发能让IonTorrent公司很快会被淘汰的新一代测序科技,其中包括能对单个DNA分子做测序的技术。

  然而,Rothberg发明的秘密在于,这台首个DNA解码仪器全部是构建在硅片上,且可迅速提升性能。他称,今年上半年对仪器的升级,可使其性能比原型机高出10倍。他认为自己的科技是建立在投资已达1万亿美元的微芯片开发和制造基础上。因此,它同样也符合可快速更新换代的摩尔定律(Moore"s Law)。他最终希望能把PGM的尺寸做到像iPad一样大小。

  Rothberg还看到了PGM用于医保的潜在机会。大夫已开始使用HIV的基因突变(genetic mutations)来预计,哪一类药物更适合治疗患者的病毒。他称,大夫们在寻找这一治疗途径的更佳方法,PGM能帮助他们。他还表示,未来6个月内推出的另一种新机型,每次能处理200个或更多的基因信息,这也是肿瘤学家亟需的,可尽快做出诊断,并开出药方的仪器。

  PGM的应用还远不止用于癌症治疗。一些婚后想繁衍后代的夫妇,在怀孕前做基因检测大有必要,此程序可确保婴儿不会患上因神经鞘脂代谢有关的隐性常染色体遗传病,泰-萨氏病(Tay-Sachsdisease)。这对PGM的应用是绝佳机会。

  Rothberg以前绝不相信,名为结节性硬化症(TSC)的常染色体显性遗传性神经皮肤综合征是能够治愈的。但随着基因测序研究上的快速进展,他对治愈此病的前景更乐观。