半导体

IC引发基因测序技术革命

作者:李佳师来源:中国电子报、中国电子信息产业网发布时间:2011-10-18 07:50我要评论




 
  Ion Torrent PGM:半导体芯片测序平台,通过专有的大规模并行半导体感应器,对DNA复制时产生的离子流实现直接和实时的检测。当试剂通过继承的流体通路进入芯片中,密布于芯片上的反应孔立即成为上百万个微反应体系。这种独特的流体体系、微体系机械设计和半导体技术的组合,使得研究人员能够在两小时内获取从10Mb到1Gb以上高精确度序列。(图为基因测序技术主要应用示范)


进入21世纪,随着生物技术的迅速发展,基因测序得到越来越广泛的应用,有专家预言基因科学产业将成为21世纪最大的产业之一。自1980年英国生物化学家Frederick Sanger与美国生物化学家Walter Gilbert建立了DNA测序技术并获得诺贝尔化学奖以来,在过去的30年间,作为该产业核心的测序技术发生了多次革命性的变革。而于去年诞生的基于半导体技术的个人化基因测序仪,首次提出了“芯片就是测序仪”的理念,打破了传统的基于荧光和照相技术的基因测序占据市场的局面,更是将基因测序变得简单、快速和经济。未来半导体芯片如何进一步推进基因测序技术的普及化、经济化和便利化?日前《中国电子报》记者采访了全球生物技术领域的领导厂商Life Technologies公司CEO Gregory Lucier。


  基因测序技术进入IC世纪
  除基础研究外,基因测序还可在生物农业、疾病控制、癌症诊断、食品安全等中应用。


很多人会认为基因测序距离我们的生活很遥远,是养在深闺的“阳春白雪”,主要服务高端的基础研究。而事实上它早就深入到人类生活的方方面面,除了基础研究外,在生物农业、疾病控制、癌症诊断、食品安全和水的安全以及刑侦和犯罪调查中,处处可见基因测序的参与。
“前段时间人们对中国的微博打拐也许会记忆犹新,全国公安机关打击拐卖儿童妇女犯罪专项行动,寻找失散儿童,其中的一些DNA鉴定设备和试剂盒就来自Life Technologies;我公司的PCR仪器及检测试剂为2008年北京奥运会和2010年世博会上监督食品安全提供了保证;今年6月份欧洲爆发的‘毒黄瓜’事件,德国科学家就是使用我们的产品在很短的时间内检测出肠出血性大肠杆菌疫情的病原,因而得以有效控制疫情发展;谈到今天头号疾病癌症,我们可将DNA测序技术应用到癌症诊断和治疗过程中,医生通过对癌症病人及肿瘤进行DNA分析,对症下药,能够找到最有效的治疗方法;我们可以建立庞大的信息库,用于治疗方案的选择,可以大大提高癌症的治愈率和存活率。半导体芯片能做的还远远不止这些,所列举的仅仅是冰山一角,未来它还会呈现出爆炸式的增长态势。”Gregory Lucier说。
Gregory Lucier说:“摩尔定律认为,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18个月翻两倍以上,而在基因测序等生物芯片领域,每隔18个月性能将翻4番,它的进步超越大家所熟知的半导体领域的‘摩尔定律’。”


  从读取到创造DNA
  基因测序产业的发展依然面临着价格、速度、普及率、融合等等相关问题的挑战。


人类在加速推进生物科技与半导体产业的融合,目前基因测序产业的发展同样依然还面临着价格、速度、普及率、融合等等相关问题的挑战。十年前人类对基因组进行一次测序需要几十亿美元,去年Ion Torrent公司的半导体芯片问世,测序一次只需几千美元,并且第一次提出了“芯片就是测序仪”的理念。早期的基因测序技术对某人进行全基因组测序,再加上之后的数据分析,需要数个月时间才能完成。目前其他二代超高通量的基因测序平台机型进行全基因组测序及分析也需要几个星期或者一个月的时间,而Ion Torrent的芯片能够大大降低基因测序时间。正因为看好Ion Torrent公司的技术,Life Technologies去年花费7.25亿美元收购了这家公司。
Gregory Lucier说:“我们当时在决定收购这家公司之前,心里很纠结,为何要收购?花费7.25亿美元对于我们公司来说不是小数目,而且这也仅仅是前期投入,要深入推进这个领域的产业未来还需要非常大的投入。”
“但是Ion Torrent确是一个非常有价值的公司,它所拥有的专利在于是人类历史上第一次将化学的信号转化成为数字的信号,通过化学与数字世界的融合,推出了第一款个人化操作的基因组测试仪。在未来1~2年内,Ion Torrent将可以帮助我们在两小时之内、1000美元的费用之下,实现人类基因组的读取。”Gregory Lucier说,“我们正在大力发展将两个业界融合起来的技术,而推动两个业界的融合使得我们公司发生很大变化,我们原来熟悉的领域是生物与化学,现在我们拥有了很多顶尖的芯片设计师,而这些设计师昨天还有可能是为苹果工作。我们的供应商也发生了变化,包括大型的芯片制造商。”
Life Technologies于2008年11月,由美国英杰公司(Invitrogn和美国应用生物系统公司 (Applied Biosystems)合并而成,前英杰公司是为多种应用平台提供试剂和耗材的供应商,前应用生物系统公司是提供基因测序、基因组和细胞分析产品的供应商,合并之后成为一个专注于生命科技解决方案的公司,方案应用于学术研究、新药开发、毒物学和法医学、疾病诊断、临床细胞疗法和再生生物学以及生物制剂的生产等领域,目前在美国90%%的实验室使用该公司的产品。
  Gregory Lucier认为,这个领域目前也正在发生变化,“当我们可以快速读取DNA的时候,我们就在想我们为什么不能写或者说不能创造DNA呢?如果我们可以创造DNA,就意味着我们可以改变这个世界上所有的东西。”Gregory Lucier提到。
  从读取DNA进入到创造DNA,就有可能涉及很多问题,比如转基因、安全、失控等等系列问题就有可能会出现,人类是否要从读取进入改变NDA的时代?对此,Gregory Lucier说:“人类在21世纪面临很多非常有挑战的问题,必须由我们用充满智慧而且是一种对社会负责任的态度来寻找答案,提供一种和平、有效的解决方案。在可擦写和创造DNA领域,我们是世界上为数不多具备这项技术并且规模最大的公司,我们有尖端的质量控制体系。比如我们从互联网上得到一个定制新的DNA的订单,我们会非常仔细地进行DNA扫面及测序,确保其中不能包含致命的病毒。而且这样的订单,我们会向欧洲以及美国的监管部门报告,确保不会因为我们的工作而产生致命的DNA。”


  中国将成创新重要一环
  未来有很多生命科技成果来自中国,包括很多研发活动是在中国完成。


  21世纪是生物科技的世纪,中国在“十二五”规划中将生命科技列为重要的战略性新型产业。目前全世界正在进入一个融合创新的时代,融合创新不仅仅意味着跨领域的科技与产业的融合,同样也包含着更多跨区域的融合。Gregory  Lucier在访华期间,拜访了中国许多领域的产业主管和重要客户,不难看出他正在调整和加速公司在中国的发展战略,希望借助中国“十二五”大力发展生物科技与新一代信息技术的契机来加快推进公司的跨越式发展进程。
几年前,Gregory Lucier曾在GE公司医疗事业部任职并参与推动了GE公司新兴市场的“反向创新”策略的定制与执行。如今就任Life Technologies CEO,他透露公司正在以创新的运营模式来组织全球化研发、生产和服务,而中国将成为Life Technologies未来创新的非常重要的一环。Gregory Lucier说:“正是因为看到越来越多的像中国华大基因(BGI)这样的公司,我们决定调整我们在基因测序方面的做法和运营方法,未来你会看到我们有很多的成果来自中国,包括很多研发活动是在中国完成,而且不仅仅是我们自身,我们会和中国正在推动的新生命科技产业一起联合创新、联合发展,会有更多的来自中国的创新去服务全球市场。”


  (责任编辑:落雪)


 


责任编辑:电子信息产业网
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