Illumina在2018年的摩根大會上推出了一款新的測序儀iSeq?100,。這是Illumina已經(jīng)發(fā)布的最小的測序儀，占地僅1平方英尺,，在美國地區(qū)標價為19900美元,。

相比此前發(fā)布的測序儀，這一款測序儀無論是在產(chǎn)品設計還是價值制定上,，都將小型實驗室設為零標的對象,。因此，Illumina此舉在某種從程度上是想通過小型,、低成本的儀器打開這一部分實驗室的大門,。

但說到小型化測序儀，最經(jīng)典的還要數(shù)Oxford Nanopore的MinION,。

MinION被稱為口袋測序儀,，只有4英寸長，大約普通U盤大小,，由一個傳感器芯片,，專用集成電路和一個完整的單分子感應測試所需的流控系統(tǒng)構成。相比目前主流的“洗衣機”測序儀,，MinION顯得獨樹一幟,，也更具靈活性。

MinION最初的定位是讓測序無處不在,，Oxford Nanopore希望MinION能夠渠道大型測序儀去不到的地方,，比如叢林、海上,、甚至是太空,。

上天

首先我們設想一下太空中的場景。在國際空間站內，宇航員將以每小時17000英里的速度圍繞地球公轉,，他們每天要經(jīng)歷15次日出和日落,。

在太空中可以體驗到失重帶來的漂浮感，同時可以欣賞到非常震撼的情景,，這些都是非常棒的體驗,。但如果宇航員在太空中生病，那么后果將是難以想象的,。

國際空間站內沒有任何可以明確診斷疾病的設備,，更沒有辦法識別出導致疾病的微生物種類。如果宇航員在太空中生病,，他們只能通過向地面的醫(yī)護人員描述癥狀來推測疾病,。

但這樣的方式?jīng)]有辦法確定這些疾病是細菌還是病毒或者其他東西引起的。如果能夠在太空中破譯這些感染源的基因密碼,，就能識別出這些微生物,，并且找到相應的治療藥物。

如果是在2014年以前,，這樣的想法都是很荒謬的,。因為當時的測序儀全是些大家伙，至少冰箱或微波爐大小,。光是要把這些笨重的儀器帶上太空就很費時,，更別指望他們在太空中會完好無損（這些物體在太空中會呈懸浮狀態(tài)）。

2014年,，隨著Oxford Nanopore掌上測序儀MinION的問世,，這一切成為可能。MinION足夠小,，很方便攜帶,，即使在失重的情況下，宇航員也能夠很輕易的將其控制住,。

2016年8月,，在微重力條件下對測序儀進行測試后，NASA宇航員Kate Rubins帶著MinION進入了國際空間站,。項目將事先準備好的老鼠、病毒和細菌的DNA樣本帶到了國際空間站,，由 Rubins在太空中進行檢測,，地面團隊將與之同步測序。

 NASA宇航員Kate Rubins首次在太空利用MinION測序儀進行DNA測序

試驗最后,，研究人員將地面與太空的測序結果進行了對比,，結果顯示兩種測序完全匹配。

這就意味著,，在MinION的幫助下,，宇航員可以直接在繞貴飛行過程中進行遺傳物質或基因變異的檢測,。NASA形容此舉開啟人類在太空活體生物基因測序全新時代。

入地

太空中都能測序,，在海上和叢林中當然不是什么難事,。有人就曾計劃帶著MinION去坦桑尼亞的熱帶雨林對青蛙測序，還有人打算帶印度洋,。但目前而言,，MinION最大的價值還是在醫(yī)療領域。

感染性疾病一直是人類健康的重大威脅,，由感染性疾病引起的死亡人數(shù)遠遠超過戰(zhàn)爭,。比如是人類歷史上最嚴重的瘟疫黑死病。

公元542年,，君士坦丁堡爆發(fā)了由鼠疫引起的“黑死病”,。這場災難不僅打破了查士丁尼一世恢復帝國統(tǒng)一的夢想，還幾乎讓整個東羅馬帝國付之一炬,。

盡管這場可怕的災難已經(jīng)過去,，但人類至今都沒有擺脫感染性疾病的威脅。

2015年,，歷史上最大的埃博拉疫情已經(jīng)進入了第二年,，大約有10000多人死于疫情，感染人數(shù)則更多,?？茖W家和衛(wèi)生工作者在遏制這一流行病方面取得了重大進展，但其中一個關鍵的因素卻一直沒有取得突破：埃博拉病毒基因組的秘密,。

如果能對病毒進行測序,，科學家及可以更有效的開發(fā)出診斷試劑和疫苗。

通過比對來自不同地區(qū)和時間線病毒的基因組信息,，他們可以確定病毒在傳染的過程中是否出現(xiàn)了突變,，并以此制定和計劃控制措施；通過比對患者身上的病毒基因組,，他們可以計算出誰感染了誰,，并以此減少傳播途徑。

遺憾的是,，在病毒爆發(fā)的過程中,，只有少數(shù)的病毒進行了基因組測序。原因很簡單,，病毒襲擊的大部分是偏遠地區(qū),。由于交通不便，大型測序儀很難進入，所有待測序樣本必須經(jīng)歷漫長的運輸過程到有條件的實驗室進行分析和檢測,。

生物學家 Nick Loman認為,，為什么不能像到別的辦法來進行測序呢？很明顯,，MinION有用武之地,。

Oxford Nanopore在2014年2月終于發(fā)起了 MinION的早期訪問計劃。Lomani是這起計劃簽署的數(shù)百名科學家之一,?？茖W家只需支付1000美元，就能獲得一臺MinION 設備和一個啟動試劑盒,，包括三個流動槽,、兩個試劑盒、軟件以及定期的免費耗材,。

早期,，由于運輸和試劑等問題，測序儀的效果并不理想,。幾位科學家已經(jīng)放棄使用,，但Lomani依然在堅持。

2014年,，Lomani在伯明翰醫(yī)院使用升級后的MinION成功完成了對沙門氏菌的測序,。2015年4月，他的學生Joshua Quick和另外三名助手帶著MinION前往幾內亞,。

由于交通不便,，Quick一行人所帶的設備也一切從簡：三臺電腦、一些化學試劑,、一臺離心機以及一臺熱循環(huán)儀（還是盜用的同實驗室同學的）,。手提箱打開后就是兩張課桌，到達幾內亞兩天后,，他們開始在這個簡易的試驗臺上對埃博拉病毒進行測序,。

在疫情爆發(fā)過程中，MinION完美的證明了自己的價值,。傳統(tǒng)上,，科學家們需要收集數(shù)百個養(yǎng)樣品再一并寄出，這個過程往往會需要幾個禮拜才能收到結果,。相反,，MinION能夠在實地進行測序，省去了大量在路上耗費的時間,。

6個月后,，研究小組完成了142組埃博拉病毒的測序。

世界衛(wèi)生組織在2016年宣布埃博拉疫情結束,，但不久后另外的疫情又席卷了美洲地區(qū),。Loman團隊再次帶著MinION出發(fā)，他們沿著巴西沿海一路行駛,，希望能夠揭示更多寨卡病毒的信息,。

2016年世界衛(wèi)生組織宣布埃博拉疫情結束，而另一個對手又來了——寨卡病毒,。這是2016年最大的威脅,，疫情蔓延到了美洲和太平洋地區(qū)。Loman帶著MinION再次踏上了旅程,。

他們駕駛者小型面包車沿著巴西沿海一路行駛,，走訪了2000多公里的巴西東北部疫情區(qū)，對1300多名感染者做了基因檢測,。

在人類,、蚊子、和病毒基因組測序之旅中,，研究人員從北美洲到巴西,，一路邊走邊測序取樣，高強度地使用了多種檢測手段：人類和昆蟲RNA提取,、寨卡病毒RNA-seq和cDNA測序,、多方比對確認全基因組測序結果（ThermoFisher）、系統(tǒng)發(fā)生分析等等,。

通過基因組測序了解病毒的基因組成,，科學家們追蹤到了寨卡在巴西的傳播情況。這項研究結果表明,，寨卡起源于巴西（拉丁美洲）境內,，在美國（北美洲）發(fā)現(xiàn)了首例寨卡感染（2016年初）之前，寨卡就已經(jīng)開始向世界各地蔓延,。

此次疫情控制中,，MinION在越野實地取樣中發(fā)揮了重大作用。

原理

同樣是測序儀,，為什么Oxford Nanopore就能把測序儀做的這么?。繜o論是Illumina,Pacbio,，還是IonProton都是100斤以上大家伙,，Oxford Nanopore是如何把產(chǎn)品做到這么小的？這就需要從MinION的原理說起,。

與目前主流的測序儀產(chǎn)品不同,，MinION是第三代測序儀,，它的技術原理叫做納米孔測序。

納米孔這個名字聽起來像一種孔的名字,，其實還真是,。這是一種微小的釘狀蛋白空心管，直徑只有幾十億分之一米,。

納米孔測序的核心是一種分布著納米孔的蛋白質合成膜,。把蛋白質合成膜被浸泡在導電的溶液中，當合成膜被施以電壓是,，離子會在電壓的作用下流過孔徑,，形成電流。

但如果某些東西（比如DNA鏈）堵住了孔,，離子流動就會受到阻礙,，電流則會減弱。

DNA分子骨架主要由磷酸和四種堿基（四種堿基分別簡稱ATCG）組成,，DNA測序實際上就是測的這四種堿基的排列順序,。

這四種堿基，每一種都能以不同的方式改變納米孔中的電流趨勢,。因此,，當DNA鏈條像紙條一樣通過納米孔是，通過測量電流的變化,，就能破譯一條DNA鏈的序列,。

這樣的測序方式與傳統(tǒng)方法有很大的不同。以往的方法中,，科學家們必須放大DNA分子以產(chǎn)生非常多的相同拷貝,，再將這些拷貝分成小塊，逐個排列,，最后在把支離破碎的序列組裝成一個整體,。這就像在讀一本書的時候，先把它切碎,，分成很多個章節(jié),，最后在粘連起來。

相比之下,，納米孔測序則能夠一次讀完一本完好的書,。DNA在測序過程中不需要擴增或分裂，并能夠長時間的連續(xù)測序,。也正是如此,，納米孔測序原理的測序儀體積總是比較小。

誕生

相傳,，這個想法最初誕生于1989年,，加尼佛尼亞大學的David Deamer在駕車通過5號洲際公路是找到了靈感,。

后來，他和他的同時花了十幾年時間證明可以通過納米孔捕獲到DNA,，并以此區(qū)分出不同的堿基,。Oxford Nanopore幾乎也花了同樣的時間來研發(fā)納米孔技術的測序儀。

牛津納米孔成立于2005年,，當時公司的計劃是像其他公司一樣，生產(chǎn)大型的測序儀,。這款大型測序儀名叫GridION ,，大約有1992年的盒式磁帶錄像機大小。

做小型化設備的想法源自公司CTO Clive Brown,。當是illumina的測序儀已經(jīng)在市場上逐漸占據(jù)優(yōu)勢,，Brown希望能夠超越他們。

Brown其實跟illumina頗有淵源,。在加入Oxford Nanopore前,，Brown在Solexa 從事測序儀的研發(fā)工作。

2006年,，Solexa被illumina收購,，但公司的決定與Brown的意愿背離。于是,，Brown沒有像其他同事一樣加入illumina,，而是辭職進入了Oxford Nanopore。

在Solexa 的基礎上,，illumina又開發(fā)出了幾款新的測序儀,，他們在測序界建立了不可動搖的地位。2009年,，這個龐然大物對Oxford Nanopore投資了1800萬美元,。

這筆錢可以幫助Oxford Nanopore將技術商業(yè)化，但代價是illumina的CEO要進入Oxford Nanopore的董事會,。

Illumina那時是以大型儀器為主,，Brown希望能夠開發(fā)出與對方有區(qū)分度的產(chǎn)品。

MinION第一次對外公開是在2012年2月佛羅里達的一次會議上,，當時它還是個概念產(chǎn)品,。Brown只用了一頁PPT來介紹產(chǎn)品，引起了很大的反響,。有的人認為這是個笑話,，有的人認為這將給Illumina一記暴擊。

更重要的是,，MinION的對外公開標志著Oxford Nanopore的獨立化,，公司在2013年正式解除了財務關系,。

不過正如歷史所表明那樣，走自己的路從來都不是件容易的事,，MinION的誕生也經(jīng)歷坎坷,。

按照原計劃，MinION本應該在2012年年底推出,。但由于制造工藝的問題,，Oxford Nanopore并沒有如期兌現(xiàn)承諾。

更糟糕的是,，在無限延長的時間里,，Oxford Nanopore選擇了沉默，這也因此讓他們一度失去了業(yè)界的信任和支持,。許多科學家形容MinION是人間蒸發(fā)了,，公司在這一輪嘲諷中無法辯駁。

發(fā)展

在產(chǎn)品面世后,，行業(yè)也不乏對MinION的質疑聲,。盡管在靈活性和成本上占據(jù)優(yōu)勢，但MinION依然很難在與Illumina這樣的頂級對手競爭中取得優(yōu)勢,。

MinION可以對細菌,、病毒這樣的小型基因組進行測序。但如果換成植物或者人類的基因組,，MinION測序速度就太慢了,。人類基因組的量級要比大腸桿菌大一千倍，小麥基因組也是大腸桿菌基因組五倍,。

另外,，MinION的錯誤率也讓人感到積累，早期試驗版本的錯誤率在30%左右,；Loman 在對埃博拉病毒測序時,，錯誤率大約有10%。而對手illumina測序儀只有0.1%的錯誤率,。

這也驅使Oxford Nanopore對設備的硬件及軟件進行升級,。MinION前后一共進行了近十次升級，R9版本最低錯誤率已經(jīng)能降到2%,。

2016年12月,，牛津大學人類遺傳學中心和英國基因分析公司Genomics plc宣布，首次使用MinION完成了多個人類全基因組測序和分析,。這次成功打開了大規(guī)模使用納米孔測序技術的大門,。

不過，即便如此,，要真正讓測序不受地點限制,，Oxford Nanopore必須解決另一問題,。即使測序儀能夠做到小型化，但測序之前仍然需要樣本制備,，需要用到離心機,、移液管等儀器；測序完成后,，需要用到專門的分析軟件對獲得的“ATCG”序列進行解釋,。

所以，MinION面臨了一個非常尷尬的境地,，它可以被帶到任何地方,，但僅有一臺MinION卻什么事情都干不了。

升級配套服務

為此,，Oxford Nanopore又開發(fā)了兩款新產(chǎn)品。

Oxford Nanopore在2014年10月推出了另一款測序儀PromethION,。當然,，他們同樣仿造發(fā)布MinION發(fā)布模式，提前一年多啟動了PromethION 訪問計劃（PromethION Access Programme PAP）為產(chǎn)品造勢,。

相比MinION,，PromethION的測序能力更強。其內部含有144000個納米孔,，可以進行多個樣本的獨立測序,。Oxford Nanopore還提出了一個“Run until”的概念。直到獲得足夠量的數(shù)據(jù)之前,，PromethION可以一直運行,。

當然，由于滿足了更強的性能,，PromethION的體積比MinION要稍大一點,。PromethION是一款平板式測序儀器，比iPad大一些,。

但PromethION也沒有辦法解決樣本制備的問題,。這個問題就像一根繩子，讓Oxford Nanopore一直沒有辦法徹底實現(xiàn)便攜式測序,。

2015年10月,，Oxford Nanopore在倫敦舉行了London Calling用戶會議。在此次會議上,，Brown發(fā)布了Oxford Nanopore的新產(chǎn)品,。與會者形容這或許會是一次“改變游戲規(guī)則的”發(fā)布會，就像當年蘋果發(fā)布iPhone,。

這款新產(chǎn)品叫做Voltrax,，是一種自動化樣品制備系統(tǒng),，能將原始的生物樣品轉化成立即可測序的形式，且過程中無需人工干預,。

Voltrax是完全自動化的一次性樣本制備系統(tǒng),，含有6-12個樣本輸入口，并且是可編程的,。Brown希望該產(chǎn)品能夠有效的縮短樣本制備的時間,，他們的目標是10分鐘完成樣本制備。

外觀上,，Oxford Nanopore同樣賦予了Voltrax便攜是的特點,，產(chǎn)品大約只有手掌大小。更重要的是,，它還能與MinION或PromethION測序儀直接對接,。

Voltrax的面世標志著Oxford Nanopore完成了從樣本制備到測序的產(chǎn)品線布局，當然,，更大的意義在于是的MinION和PromethION真正的擺脫了外在條件的束縛,，真正意義上實現(xiàn)實時、實地測序,。

Oxford Nanopore還在2016年10月發(fā)布了概念產(chǎn)品SmidgION,。如果說MinION給我們帶來的是全新的便攜式測序體驗，SmidgIon則提出了更新的概念——移動測序儀,。

SmidgIon比MinION更小,，可以通過充電接口和耳機接口與智能手機或其他移動設備連接，非常適用于緊急情況的實時處理和現(xiàn)場分析,。

SmidgION插到手機上運行,，如果再將后續(xù)所需要分析軟件開發(fā)成APP，測序就可能真的回歸到了人人都可用的技術,。

Oxford Nanopore是目前唯一有便攜式產(chǎn)品產(chǎn)出的企業(yè),。但除此之外，我們也可以看到其他從事大型測序儀生產(chǎn)的公司也正在朝著小型化設備的方向前行,。

從2015年起,，市場上主流的幾家測序儀生產(chǎn)商均陸續(xù)推出了自己的小型化臺式設備：

2015年9月，ThermoFisher在收購LifeTech后首次拓展了其NGS測序儀產(chǎn)品線,，推出了全新的IonS5系列測序儀,。IonS5測序儀在幾個關鍵參數(shù)上處于IonPGM和IonProton之間，很好地填補了中端產(chǎn)品的空缺,。

Illumina則在2016年初發(fā)布了首個小型測序儀MiniSeq,，并且在2018年初又發(fā)布了另一款小型測序儀iSeq? 100（這款測序儀占地近1平方英尺）。

華大基因推出的BGISEQ-50，以及華大智造在2017年推出的兩款測序儀MGISEQ-2000 及 MGISEQ-200,。

其中,，一些企業(yè)或多或少是受到了Oxford Nanopore的影響，但本質原因還是順應了基因測序涌向中小實驗室的潮流,。

這些小型化設備已經(jīng)能夠滿足大部分測序需求,，同時又可以提供HiSeq這類面向測序工廠級別的產(chǎn)品所不具有的靈活性。

隨著基因行業(yè)的發(fā)展和精準醫(yī)療方案的逐漸落地,，個性化測序需求會成為全新的市場增長點,。

盡管這些產(chǎn)品離便攜式規(guī)格還相差甚遠，但想想從26.5m3的ABI prism 310,，到如今微波爐大小,，不得不讓人驚嘆。

這不僅讓人想到了計算機的演化史,。1946年第一臺計算機誕生的時候,，或許誰也想不到這個大家伙最終能縮小到手提大小?；蛟S有一天,，測序儀也不再是只能放在實驗室的高端儀器。

在測序價格下降到人們普遍可以接受的程度后,，人們必將會開始思考如何讓測序的場景多元化,。

如今,，大型項目依然是大型計算機的天下,，但在日常應用中隨處可見的是小型計算機的身影。不僅如此,，便攜式的筆記本電腦已經(jīng)逐漸取代了小型的臺式計算機,，成為日常生活中不可或缺的娛樂、辦公工具,。

而在當下看來,，測序儀或許不能像計算機一樣，成為日常應用的工具,。但測序儀的便攜式創(chuàng)新,，除了讓測序場景覆蓋到太空、叢林,、海洋這些場景以外,，其門檻的降低也向對基因測序有興趣的科技發(fā)燒友敞開了懷抱。

或許某一天,，你也可以想測量體溫一樣,，用便攜式測序儀檢測自己測量流感的病原；或許孩子們可以帶著便攜式測序儀去夏令營，給自己喜歡的植物測序,。也許未來,，測序儀將與手機連接，甚至能夠通過手機APP進行數(shù)據(jù)分析,。

便攜式概念給了測序儀更多的應用可能,，或許這樣的設備真正能夠讓基因測序變得日常可見,。當然,，要實現(xiàn)這一愿景，還需要這需要測序成本和數(shù)據(jù)分析能力跟得上需求,。

*頭圖基于CC0協(xié)議引用,。