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骗局终逆转！一家英国独角兽的“苹果式”迅速崛起之路

百家作者：DeepTech深科技 2017-07-12 08:20:48

众所周知，基因测序对疾病研究的重大意义是不言而喻的。但居高不下的成本使得基因测序一直是一项奢侈的研究，难以走入大众的生活中。以世纪工程“人类基因组测序”为例，其总共花费了科学家们 13 年的时间和 27 亿美元的资金。

同时，这也是一块巨大的市场蛋糕。根据市场研究机构 BCC Research 预测，全球基因测序市场将以每年 20% 的速度保持高速增长，预计 2018 年将达到 117 亿美元的庞大规模。

目前，占整个基因测序市场很重要一部分的测序设备市场主要由位于美国加州圣地亚哥的 Illumina 公司占据，占市场份额高达 70%，而且它的顶级设备价值 100 万美元，约档案柜大小，重 226 公斤——用“笨重且昂贵”来描述一点不为过。

毫无疑问，如何降低基因测序的成本已经成为了开启基因新时代的关键。于是，许多创业公司纷纷开始研发下一代测序技术。2005 年，454 Life Science 公司发布了 454 测序平台；2006 年，Solexa 公司发布了Genome Analyzer，AgenCourt 公司发布了 SOLiD。大公司也不甘示弱，瑞士罗氏和美国应用生物系统公司分别收购了 454 Life Science 和 AgenCourt；美国加州圣地亚哥的 Illumina 公司则买下了 Solexa3。

不过，虽然这些公司所开发的基因测序仪器越来越高效、廉价，但它们中的大多数要么是使用荧光试剂来鉴定碱基，要么需要先切断 DNA 分子然后再对 DNA 片段进行扩增，而且在操作过程中还会产生各种可能的误差。

不曾想，一种款新的产品在 2012 年便开始颠覆整个测序设备行业，而且伴随着的是一家初创公司的迅速崛起。这家名叫牛津纳米孔科技（Oxford Nanopore）的公司在十几年的发展过程中几番沉浮，其艰难曲折的历程犹如当年乔布斯一手缔造的苹果公司，时而引人瞩目、冲上巅峰，时而饱受质疑、跌入谷底。

图 | 会议现场发布产品

2012 年 2 月，在美国佛罗里达州举行的基因组生物学技术进展大会（Advances in Genome Biology and Technology，AGBT）上，来自英国的牛津纳米孔科技公司震惊了世界——他们发布了一款发布了世界上首台便携式基因测序仪。

相比其他竞争对手，牛津纳米孔公司开发的 MinION 便携式设备技术比较简单，只需将一条 DNA 单链穿过膜上的一个蛋白孔就能完成测序过程，而不需要像传统的基因测序技术那样扩增 DNA 或者使用价格昂贵的试剂。

牛津纳米孔的基本原理是 MinION 中的高分子膜具有很高的电阻，膜上有微小的蛋白质纳米孔。使用时，在膜的两端施加电势，电流就会从纳米孔流过；DNA 链穿过纳米孔时，不同的 DNA 碱基会以不同的方式干扰流过该孔的电流。根据收集到的电流信号，就能解读出通过纳米孔的DNA 序列。

毫无疑问，这项技术提供了一条使基因测序更快、更便宜的途径，对疾病研究的重大意义是不言而喻的——医生能利用这一技术，把测序当成常规的检查，如同核磁共振成像或血细胞计数检查一样。可以说，此项技术宣告了个性化医疗时代的来临。

也就在当年，纳米孔基因测序（Nanopore Sequencing）入选当年的《麻省理工科技评论》十大突破性技术。

图丨MinION原理演示

然而，这款名为 MinION 的产品在面世后，就曾被批评为过早面世，甚至是“一无是处”的初代产品，在接下来的一年半中都没有在市场上出现。似乎，牛津纳米孔科技公司给人的印象总是，给出惊人的承诺结果，但又错过承诺的时间期限。

确实，没有一项创新是一帆风顺的。在那次大会后，立刻有人提出质疑。牛津纳米孔的竞争对手 Life Technologies 公司离子激流团队的主管乔纳森·罗斯伯格（Jonathan Rothberg）在接受福布斯采访时说：“没有任何数据，你怎么知道这不是另一场冷核聚变骗局？”

几个月后，牛津纳米孔果然发现芯片有严重的设计缺陷，不得不又花了两年时间来改进，让“2012年底正式发布产品”的承诺化成了泡影，遭到了更多质疑。Illumina很快对这个合作伙伴丧失了信心。他们派驻牛津纳米孔的董事会观察员也认为 MinION 毫无用处。于是，牛津纳米孔决定自行开发和商业化 MinION，为两家公司的决裂埋下了伏笔。

2013 年 11 月 15 日，牛津纳米孔与占据基因测序设备 70% 市场份额的 Illumina 正式终止了合作。

图丨宇航员凯特·鲁宾斯在国际空间站上进行DNA测序（2016年）

然而，仅仅在 10 天后，牛津纳米孔就宣布了一个大胆的计划——研究者只需支付 650 英镑的押金，就能获得一台MinION试用机和一次性流动槽。

2014 年 4 月，牛津纳米孔在报名的几千名研究者中挑选了 500 名，向他们寄送了第一批 MinION。此时距离他们在AGBT 大会上振奋人心的演讲，已经过去了 2 年时间，饱受争议的纳米孔测序终于正式登上历史舞台。

令人欣喜的是，牛津纳米孔几乎实现了所有承诺——体积小、速度快、成本低、读序长……他们还成立了数据分析公司 Metrichor，提供生物信息服务。MinION 读取的数据会传输到云端，由 Metrichor 的软件进行计算，识别碱基。

当年夏天，陆续有人收到更新的版本。

2015 年 5 月，MinION 正式商业化。很快，使用 MinION 进行研究的论文像潮水一样涌现。有的科学家用它来研究传染病，有的用来研究癌症，有的用来监测非法交易的木材和野生动物，还有的用来研究地外生命。NASA 甚至计划将 MinION 送到国际空间站，在微重力下进行测试。

图丨奥斯瓦尔多·克鲁斯基金会的贾奎琳·加西亚·德热苏斯和牛津大学的努诺·法里在巴西的亚若昂·佩索亚通过MinION测序仪对寨卡病毒的起源进行研究

英国伯明翰大学的传染病专家尼克·洛曼（NickLoman）在 2014 年 5 月得到了 3 台MinION，很快就派上了用场。6 月，伯明翰一家医院遭遇了沙门氏菌爆发。洛曼用 MinION 研究了医院送来的16份菌株，只用 2 小时就得出了全部菌株的测序结果。将其与公开数据库进行对比，洛曼发现此次爆发的源头是一个德国的鸡蛋供应商。洛曼感叹道，传统的基因测序可能需要几周甚至几个月才能得到结果。

还有很多研究者致力于用新的生物信息技术来提升 MinION 的计算和分析能力，各种开源工具不断涌现。例如，2016 年3月，斯洛伐克夸美纽斯大学的研究者用递归神经网络来分析MinION读取的碱基，其精确度高于厂商提供的 Metrichor 软件。

随着对牛津纳米孔的产品关注度越来越高，到 2016 年，约有 1000 多个研究团队在使用他们的产品，技术平台的争夺日渐激烈。2016 年 2 月 23 日，Illumina起诉牛津使用的纳米孔侵犯了他们与阿拉巴马大学共同申请的专利。许多科学家对此很失望。爱丁堡大学的基因研究者米克·沃森（Mick Watson）在博客上说，对同时使用这两类产品的研究者来说，“感觉就像自己的两个朋友在打架”。

图丨Nature Biotechnology新闻对Illumina和牛津纳米管专利之争的报道

这场专利战也被戏称为基因测序领域的“苹果大战三星”。不过，牛津纳米孔否认这一指控，认为 Illumina 只是想扼杀竞争，保持自己的垄断地位。3 月 25 日，美国国际贸易委员会（ITC）对牛津纳米孔的产品启动调查。

图 | Illuminia和牛津纳米孔分别位于《麻省理工科技评论》2017年“全球50家最聪明的公司”榜单第 22 位和 32 位

在上月刚刚发布的“《麻省理工科技评论》 2017 年全球 50 大最聪明公司”榜单中，与基因测序行业相关的公司占据了一席之地，最具代表性的就是排名 22 的基因测序公司 Illumina 和排名 32 的牛津纳米孔。

有趣的是，这两家公司毕竟现在已成为老死不相往来的冤家。其中，1998 年创立的 Illumina 是测序界的元老，长期占据着七成左右的市场份额，而牛津纳米孔则依靠着其具有划时代意义的“纳米孔基因测序”技术后来居上，成为业界的新兴之秀。

不过，人们也发现了 MinION 存在的问题。例如它并不能直接测序，需要事先对组织或血样进行处理，尽管所需的时间较短，但依然需要专业的技术人员和实验设备。为解决这个问题，公司正在研究将样品制备装置集成入产品内。另外，MinION 的精度相对较低，不过，对很多应用来说已经足够，并且随着数据的累积，精度还在不断攀升。

事实上，MinION 的确改进了——两年内，设备的准确率大大提高，运行速度快了 5 倍。DNA 核苷酸穿过每个纳米孔的速度达到了每秒 450 个，而且未来仍有上升空间。“我见证了这一切，可以说是突飞猛进，”一位来自南加州大学的生物信息学专家 Benedict Paten 说，“我确信，他们将攻陷测序界。”

就在去年，第一个人类基因组测序也在 MinION 上完成了——这仍是一个复杂繁重的过程，而且也不是那么便宜——价值 500 美元的一次性试剂盒使用了 4 个。

但回想仅仅三年前，这还是一家被严重质疑的公司。那时，牛津纳米孔选择实验室来试用初代 MinION 的时候，结果充其量只能算是“不够稳定”。早期的版本非常容易出错，甚至经常压根无法运行。但牛津纳米孔认为，这些早期的错误是值得的，他们因此可以招募精通技术的科学家来改良设备、制造舆论热点、发现潜在应用。

图丨牛津纳米孔开发的DNA测序仪可以用电脑上的USB供电

自 2016 年之后，Oxford公司为回避Illumina及另一竞争对手Pacific Biosciences 提出的专利侵权诉讼，对 MinION 的关键方面做了改动。事实证明，这些改动最终使设备变得更好了。“似乎有个光环围绕着这家公司。”公司的专利律师 Martyn Andrews 说道。

截至目前为止，MinION 在速度和精准度上与 Illumina 公司的设备尚有差距。但常规测序方法不可避免地会用到巨大昂贵的显微镜和精密的化学过程来观察 DNA 结构。相比之下，在纳米孔测序过程中，DNA 双螺旋被吸入极小的环状生物孔，这种生物孔材料来自于细菌表面。当由 A,G,C,T 四个碱基组成的DNA链穿过小孔时，每个碱基会产生微小的电信号变化，这微小的变化就足以让设备识别。

MinION有独门秘诀，其中之一就是可以读取超长的、连续的 DNA 序列。相比之下，Illumina的设备只能读取 150 个核苷酸的 DNA 短片段。对 MinION 来说，读取1万个核苷酸是再平常不过的事儿了。它的最高纪录是一次性读取 88.2 万个DNA核苷酸。长核苷酸序列的读取意味着，可以减轻后期拼接整合基因组序列的工作量：想象一下一个由几千块碎片而不是上百万块碎片组成的拼图——对研究新的生命体基因组而言，这至关重要。

如今，鉴于MinION更适合分析细菌及病毒，牛津纳米孔公司研发了第二种设备Promethion。这家公司认为，Promethion将成为Illumina杀手，因为它适合人类及其他大基因组生物的基因组测序。这个打印机大小的设备有上万个纳米孔可以同时工作，能够在几小时内读取上万亿的序列。

该公司首席科技官 Clive Brown 表示，Illumina 公司价值 100 万美元的高端测序仪 HiSeq X 的功能与 Promethion 相似，但价格却比 Promethion 贵得多。

图 | Promethion

今年四月，牛津纳米孔邀请他们的重要用户齐聚伦敦参与年度会议，这有点类似于生物类研发者的聚会。在会上，首席科技官 Clive Brown 登台，半夸耀半带歉意地展示了一系列尚未完成的构想，包括升级 MinION 以及研发新的产品 Promethion。

然而，正如牛津纳米孔公司不断跳票的的 MinION 产品一样，Promethion 同样是一款改进中的产品，而且已经远远落后于预期时间。牛津纳米孔计划在今年晚些时候开始销售，首席科技官 Clive Brown 依然是对 Promethion 信心满满，他在科学家见面会上说道，“1.0版本就足够惊艳。”

无情的是，大话很快被现实戳穿。荷兰一家叫做 ZF-Screens 的公司购进了 Promethion 的早期版本产品，他们希望，利用这项技术了解国花郁金香的基因组，加速新品种的培育，以获得更大的商业价值。

图丨郁金香

可根据 ZF-Screens 公司研究成员 Hans Jansen 的反馈，Promethion 在测试中“时而好用时而不好用”，软件很难捕捉到数据，而且第一批通过纳米孔的细胞总是会破碎。但作为解读郁金香复杂基因组的唯一办法，ZF-Screens 公司还是不得不继续使用这款设备。

他们希望，利用这项技术解密国花郁金香的基因组。郁金香是具有商业价值的花卉，了解它的基因信息的细节将加速新品种的培育，尤其是在郁金香成熟时间很长、传统培育过程可能长达 30 年的情况下。郁金香这种植物的基因组特别庞大——大约是人类基因组的 10 倍——如此高的重复率决定了它不能简单地使用现有的测序方法。

然而，这一切都并不能阻挡牛津纳米孔公司的前进步伐。除了几款简单的设备之外，牛津纳米孔公司更宏大的愿景就是打造出“生物联网”（internet of living things）——DNA传感器无处不在，每个人都能随时读取自己体内以及周围生物的DNA，并将这些数据实时上传到互联网上。