生命科學領域“光刻機”全球競速，中國企業在納米孔測序儀新賽道表現如何？
作為基因測序產業鏈的上游，基因測序儀及配套試劑是整個產業鏈壁壘最高的部分。以目前主流的高通量測序儀（也被稱為第二代基因測序技術，NGS）為例，長期以來這塊市場基本由國外少數幾家公司主導。
然而，這種格局并非一成不變。新一代測序技術以及涌入基因測序儀行業的新興企業，都為未來測序儀行業的發展格局注入一些不確定性，這也是傳統優勢企業面臨的挑戰。
納米孔測序儀眼下正呈現出更加多元化的行業格局。“在納米孔測序儀方面，中國其實跟進得比較快。”中國科學院化學研究所吳海臣研究員在近日的一場主旨演講中表示，在國際上2014年實現納米孔測序儀商業化之前，從科研的角度來看，國內科學家參與度較低，但在隨后的測序儀推進過程中國內并未落后。
此前的2021年12月，齊碳科技宣布推出國內首臺商業化的納米孔基因測序儀，這正式開啟了納米孔基因測序國產化時代。而在剛剛過去的9月9日，專注于二代基因測序的華大也正式宣布加入納米孔基因測序儀陣列，面向全球發布最新測序技術——CycloneSEQ測序技術，兩款擁有自主產權的納米孔測序儀首次對外推出。
對華大系而言，其后續的優勢之一顯然在于利用原有的銷售渠道為下游提供“一站式選擇”。正如華大集團聯合創始人、董事長汪建在產品發布會上表示，“從激發光測序儀到自發光測序儀，再到今天公布的不發光測序儀，三類機器，三種不同原理、不同測序方式結合在一塊，我們是全世界唯一的一家。”
不過，儀器從無到有是另一個全新的開端。未來在競爭日益激烈的市場中如何順利分得一杯羹？這是每一項新技術的入局者都要面臨的必考題。
9月9日，華大正式宣布加入納米孔基因測序儀陣列，面向全球發布最新測序技術——CycloneSEQ測序技術，兩款擁有自主產權的納米孔測序儀首次對外推出。
生命科學領域的“光刻機”
華大集團CEO、執行董事尹燁將基因測序儀視作生命科學領域的“光刻機”，而華大自主研發生產這臺“光刻機”的緣由外界并不陌生。
華大生命科學研究院院長、華大集團執行董事徐訊表示，華大創立于1999年，彼時正值高通量測序技術快速變革時期，而2010年憑借來自國家開發銀行貸款一口氣從Illumina買下128臺當時最先進的Hiseq2000測序儀后，一舉成為全球最大最有影響力的測序機構。
“那時我們和全球前十大藥廠中的8家都簽訂了戰略協議，當時覺得可以通過這樣的模式，不斷購買新的設備不斷擴大規模，成為真正意義上的全球最大也是最強的測序機構。”
“當頭棒喝”很快到來。“試劑漲價40%、想要折扣必須加入測序聯盟、因為配件禁運機器不能維修、不告知新型號儀器發布計劃、未經允許不能擅自移動機器、沒有得到授權不能用于臨床……”2011年開始，“卡脖子”難題接踵而至。
華大生命科學研究院院長、華大集團執行董事徐訊。
徐訊坦言，“我們花了上億美金買來一個深刻的教訓，技術原來是買不來的。”主攻基因測序儀的華大智造也最終應運而生，該公司成立于2016年4月，由華大集團原本的測序儀板塊獨立拆分而來，在此之前華大收購了Complete Genomics公司（下稱“CG”公司），組建測序儀研發團隊，實施國產技術轉化。
“我們搭第一臺原型機，一些零部件都是從華強北和淘寶買來的。”徐訊說，歷經16個月，華大最終在2015年跨出關鍵一步，正式推出第一臺商業化運行的基因測序儀BGISEQ-500。“雖然我們的第一臺機器受到一些詬病，可能有這樣那樣的問題，但我們沒有止步于一臺機器，實際上不斷地在為更高精度、更高通量、更低成本迭代和創新。”
在過去近十年的時間里，華大陸續研制和對外發布了一系列覆蓋高中低不同通量的基因測序儀。值得一提的是，在去年2月的AGBT（基因組生物學技術進展會）上，華大智造發布了超高通量測序儀DNBSEQ-T20×2（下稱“T20”）。
從公開披露信息來看，T20刷新了全球基因測序儀通量的新紀錄。按照全年300個工作日計算，T20每年可完成高達5萬例人全基因組測序。更為重要的是，T20超強生產規模使得“超級測序工廠”成為可能，從而使得單人全基因組檢測成本降至100美元以下。這也是此前全行業的目標。
測序還有哪些“剛需”難題？
“有了工具在手，我們在基礎科研、臨床應用上不斷取得新的突破。然而隨著不斷探索，我們遇到了基于DNB的短片段測序儀仍然無法解決的問題。”徐訊如是提到。
實際上，第一代測序技術Sanger測序目前仍是基因檢測的金標準，但其通量低，不適合多樣本的大規模測序。而作為第二代測序技術，高通量測序技術解決了通量問題，但其測序讀長較短，基因組拼接困難且測序時存在高GC偏性，其應用仍然受限。
徐訊解釋稱，基于DNB的短片段測序儀遇到多種棘手問題：基因組上仍然有8%的“暗物質”區域無法檢測到；許多微生物基因組GC含量異常，常規測序無法完成組裝；現有DNB平臺面對復雜結構變異造成的遺傳疾病很難解析；也無法實現實時、快速的測序，解決ICU里感染的快速檢測需求。
“面對這些挑戰，已有成熟的技術和產品，提升10%已經是極限。”解決這類問題需另辟新技術。
納米孔測序儀是解決方案之一。吳海臣表示，“納米孔DNA測序技術開辟至今歷史并不長，到現在其實還不到30年。”時間回溯至1996年，哈佛大學的Daniel Branton、加州大學的David Deamer等人，在美國國家科學院院刊PNAS雜志上首次發表文章指出，可以用膜通道檢測多核苷酸序列。2012年，基因測序企業Oxford Nanopore推出首款納米孔基因測序儀樣機，并于2014年率先實現商業化。
基于電信號測序的納米孔DNA測序，其原理實際上非常直觀簡潔：通過電場力驅動單鏈核酸分子穿過納米尺寸的蛋白孔道，由于不同的堿基通過納米孔道時產生了不同阻斷程度和阻斷時間的電流信號，由此可根據電流信號識別每條核酸分子上的堿基信息，從而實現對單鏈核酸分子的測序。
中國科學院化學研究所吳海臣研究員發表主旨演講。
盡管原理簡單，但納米孔測序儀的誕生也并非坦途。合適的納米孔蛋白、DNA鏈穿過納米孔時如何控速、電流信號檢測、穩定的電化學反應環境等等，都是納米孔測序儀研制的核心問題。
徐訊介紹稱，此次華大發布的納米孔測序儀一個獨特的創新即在于提出納米孔局部化學反應體系（NLC）解決方案，也可以形象地理解為精準控制測序反應的“離合器”。“馬達蛋白的工作需要ATP，它需要用鎂離子才能激活，我們通過在納米孔周圍形成一個非常小的局部鎂離子濃度的環境，且鎂離子濃度可控，從而實現調控馬達蛋白。”所謂的馬達蛋白，是在DNA鏈穿過納米孔時起牽引作用，也被稱為是納米孔測序的動力源。
杭州華大序風科技有限公司（下稱“華大序風”）總經理董宇亮對澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者表示，總體而言此次發布的CycloneSEQ技術呈現出幾大特點。華大序風系華大系成員公司，主要負責單分子長讀長測序技術的開發與生產。今年6月，華大智造獲得華大序風納米孔測序產品的全球市場經銷權。
第一，相對于DNBSEQ而言，它的測序讀長會長很多，且覆蓋長度范圍比較全面，“我們現在已經實現了讀長最長達到Mbp（1Mbp等于10的6次方）級別，而短的像血液中的游離DNA片段也是可以測的。”董宇亮強調，兩款納米孔測序儀的測序讀長均覆蓋百bp至Mbp，“長而全，這是它主要的一個特點。”
第二個技術特點是快，“單條鏈過孔速度能夠達到350nt/s-420nt/s，另外它能夠實時測序，意思就是比如測10分鐘后，使用者拿到足夠的數據，就可以停下來，非常靈活。”
第三個特點就是小巧靈活，“兩款產品設備都是可以放在手掌心的大小，小就意味著普及性更高，比如在一個很小的實驗室里，這個設備只要一個小空間就可以插進去，這樣不管是在高校還是科研院所，甚至一些政府單位里面，它對于實驗室的空間要求非常低。”
另外值得關注的是，相對于第一代、第二代測序技術，錯誤率高是目前納米孔測序的主要缺點。“單分子測序檢測的是單個分子的原始信號，單個信號的準確率相比之下會低一些。”董宇亮提到，即使如此，通過蛋白優化、算法優化等策略，“我們目前已經達到了單次準確率97%這樣一個水平。”
而據徐訊透露，相比于目前已開放訂購的WT02，計劃于2025年上半年上市的WY01的單次準確率將進一步提升至99%，“這也將是這臺測序儀最大的一個突破。”
此外，WT02的單芯片孔道蛋白數高達4092個，單芯片實驗室最大通量達50Gb（1Gb 等于10的9次方）。WY01在此基礎上，單芯片將提供8倍數量的孔蛋白，將達到3萬個蛋白孔（即每平方毫米有51個），從而單芯片數據產量將提升到8倍。
徐訊認為，如果WT02可以被喻為“全公路越野車”，那么WY01更像是一輛“全副武裝的工程車”。“ WY01的出現，填補了國內納米孔測序領域高通量芯片的空白，多項關鍵性能處于全球領先的水平，它可加速疾病研究和診斷，促進跨學科研究合作，支持生物多樣性和生態學研究。”其強調。
新增長點潛力如何？“目前已有訂單”
對于此次納米孔測序儀的發布，除產品本身外，外界關注的另一焦點在于，作為未來華大智造的業務新增長點，其提振業績潛力如何？
實際上，從業績角度而言，華大智造也需要新的有競爭優勢的業務來刺激增長。公司2023年營收為29.11億元，和上年同期相比（同比）減少31.10%；歸屬于上市公司股東的凈利潤為-6.07億元，同比大幅減少129.98%；今年上半年，公司營收為12.09億元，同比減少16.23%；歸屬于上市公司股東的凈利潤為-2.98億元，虧損較上年同期（-9802.70萬元）增加。
今年6月宣布獲得華大序風納米孔測序產品的全球市場經銷權時，華大智造表示，目前市場上對以單分子測序技術路徑為主的產品需求增長迅速，且預計未來隨著單分子測序技術短板的明顯改善，下游應用領域將進一步拓寬，單分子測序技術與高通量測序技術的互補效應趨勢日漸明朗。
華大智造稱，經過公司初步測算，預計時空組學業務及單分子測序業務將給公司收入及利潤帶來正向影響，長期來看，本次交易將有利于公司拓展新的盈利增長點，增強可持續經營能力。彼時公告還提及一點，未來待業務發展穩定后，不排除公司以收購等方式進行進一步整合，擴大業務規模。
華大智造首席運營官蔣慧此次對澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者表示，從市場對測序的需求而言，既要準確度、又要成本低，既要讀長長、又要讀長全，“那最好的辦法就是‘1+1’，這也就是我們為什么稱之為‘SEQ ALL’。”
其進一步提到，從未來的銷售策略來看，“一方面會基于現在面向全球的已經建好的DNBSEQ的銷售渠道，加快CycloneSEQ往前端的推廣和銷售；另一方面更加關鍵和重要的是，我們將充分發揮‘1+1＞2’的策略，也就是我們的SEQ ALL組合，無論哪一種方案都會很好地匹配實驗室數據產出的需求。”
就納米孔測序儀未來拓展的業務方向，蔣慧提到四大類型的潛力客戶，即高校、科研機構、疾控、醫院。“6月份拿到序風的經銷權后，我們一直在推動外部使用，目前已經裝機的儀器設備整體已經達到50-60臺，其中一部分是早期的測試使用設備。”
而在發布會當天，超過70家科研及臨床用戶代表與華大共同簽署合作協議，首批CycloneSEQ用戶達成簽約合作意向。“這些簽約的合作伙伴都有非常強的意向，有一些陸續在采購過程當中。”據介紹，未來華大納米孔測序儀的生產制造將由位于杭州的華大序風承擔。
在上述發布會上，徐訊也對外公布了WT02的發售價，WT02測序儀（含服務器）發售價格為40萬元人民幣，配套試劑盒為5100元/Run。WY01的價格則有待披露。
未來納米孔測序儀市場競爭如何？華大智造此前在相關公告中即提到，單分子測序領域獲得資本市場關注，資源密集投入加速了相關技術的進步及商業化進程。此外，公司在全球范圍內的競爭對手均陸續布局單分子測序相關技術，目前呈現出群雄逐鹿的格局。
其在2024年半年度報告中也寫道，近幾年來，基因測序行業仍呈集中度較高、龍頭企業競爭力強且市場份額大的格局特點，華大智造、Illumina、Thermo Fisher 市場占有率合計近 90%（按收入口徑計算）。而在單分子測序領域中，代表企業Pacific BioSciences和Oxford Nanopore Technologies的合計市場占有率約8%。
顯而易見的是，龍頭企業憑借其源頭性技術和完整的專利布局、全面的產品矩陣和快速迭代能力、廣泛且深入的商業化體系和強大的學術服務能力，構筑起了技術壁壘并具有明顯的先發優勢，因此仍占據絕對優勢地位。
同時，因技術成熟度及易用性提高、下游應用場景廣泛，全球范圍內進入基因測序儀行業的新興企業大量涌現，包括Ultima、Element Biosciences、真邁生物等高通量測序企業，也有齊碳科技、Quantum-Si等單分子測序及蛋白測序企業，新進企業以細分領域突破為發展契機，行業格局逐漸有多元化發展的趨勢。
據不完全統計，目前不同技術路徑的基因測序儀研發和制造商超過70家，其中絕大多數處于研發早期。2022-2023年，推出商業化量產測序儀的新興測序儀公司包括Element Biosciences、Singular Genomics、真邁生物及賽陸生物等。
值得一提的是，就納米孔測序儀進一步發展的方向，吳海臣提到，當前納米孔DNA測序已經相當完善，學術領域現在都在關注的則是納米孔蛋白質測序，而蛋白質具有20個典型氨基酸以及數百個非蛋白質氨基酸等復雜性使得該技術目前處于初級階段。“但目前全球競爭非常激烈，但是和此前納米孔DNA測序不同，在蛋白質測序領域我們國內的科學家參與度是非常高的。”
董宇亮也對澎湃新聞記者表示，未來公司納米孔測序儀技術發展的進一步空間，除了繼續提升準確率和通量之外，針對納米孔的原理特點還能開發很多創新性的應用，包括甲基化測序、RNA直接測序、多肽測序等，“在這個領域我們還在持續攻堅。”
不過，無論是此前的高通量測序儀，還是最新的納米孔測序儀，站在設備生產商的角度，進一步擴大普及率、甚至實現“人人基因組時代”的到來，是行業參與者的普遍愿景。