高精度、低成本、长读长测序离我们还有多远?

2024.03.26 责任编辑:陈醒 阅读量:86

在当今的生命科学和临床等领域,基因测序技术扮演着越来越关键的角色。经过近50年的技术探索,测序技术已从最初的Sanger法,发展到NGS,再到SMRT和纳米孔等单分子长读长测序技术。相较于NGS等短读长测序技术,长读长测序技术因其能提供平均读长超过前者两个数量级以上的序列,为科学研究和临床应用提供更强大工具,极大地拓展了测序所能覆盖基因组范围以及能解读变异类型的范围,重新定义基因测序的可能性。因此近年来长读长测序平台销售额增长速度远超行业平均水平,代表着测序技术发展的方向。          
从当前市场格局来看,无论是全球还是国内市场,长读长测序平台仍主要被PacBio(以下简称PB)以及Oxford Nanopore Technologies(以下简称ONT)两大国外制造商主导。
PB平台采用SMRT技术,其测序反应过程完成是在其测序芯片上约70纳米的零模波导孔中进行,每个孔中有单个分子的聚合酶对单分子的待测DNA链进行复制,测序试剂中的脱氧核苷酸根据其碱基类型,在其磷酸端带有特定的荧光基团,当核苷酸在聚合酶的作用下被合成到与待测DNA链互补的链上时,在所谓的消逝波的激发下,会产生不同的荧光信号,其测序芯片上的感光单元通过将荧光信号转化为电信号,通过后续算法软件实现DNA测序。该平台优势为单序列准确度高,能提供的Q30以上序列占到序列总数的90%以上,能提供比对准确率高于NGS的测序数据,测序平均读长比NGS平台高两个数量级以上;其劣势在于测序成本远高于NGS的Novaseq等平台,设备成本高,且测序数据并不能实时解读,不能满足时效性要求较高的场景。    
ONT采用纳米孔链测序技术,其原理是:其芯片测序单元上覆盖有双层分子膜,其上镶嵌纳米孔蛋白形成的离子通道,核酸双链在马达蛋白(解旋酶)的作用下解螺旋,其中一条单链进入离子通道,前后数个碱基的排列(目前为3×2)形成特征电流信号,随着核酸单链在纳米孔中单方向移动,其测序芯片检测单元可收集到随时间变化的电流序列,通过深度神经网络对该电流序列进行解读,可得到核酸碱基序列。其优势在于测序时效性高、测序成本相对PB平台较低,测序平均读长比NGS平台高两个数量级以上;劣势在于由于信号存在系统性错误,如对于碱基同聚物识别困难等,因此无论是单序列准确度还是比对准确度和PB及NGS平台相比还有较大差距,应用受到限制。   
优势明显,劣势也不容忽视,因此虽然以上两家在国内市场都拥有相当数量的用户,但我们也时不时会听到这样的一些来自测序应用界朋友的吐槽:PB平台测序精度高,但就用起来太烧钱,出数据也慢点;ONT平台时效性高,成本相对还能接受,但精确度还差点意思。 
那么有没有测序平台能满足测序应用客户既要、又要、还要的要求呢?可能还真的有!例如接下来要给大家剖析的一家比较低调的长读长测序技术玩家——今是科技有限公司(以下简称“今是科技”)的测序平台。         
今是科技的测序平台基于其边合成边纳米孔测序(NSBS)的技术路线。其测序生化系统和SMRT及纳米孔链测序技术均有部分相似之处:其测序芯片的每个测序单元上均覆盖有双层分子膜,其上镶嵌纳米孔蛋白形成离子通道,单分子的聚合酶和纳米孔蛋白偶联,聚合酶对单分子的待测DNA链进行复制,测序试剂中的脱氧核苷酸根据其碱基类型,在其磷酸端带有特定的带电长链分子作为标记物,当核苷酸在聚合酶的作用下被合成到与待测DNA链互补的链上时,其所带标记物会进入纳米孔形成特征电流,其测序芯片上的检测单元对特征电流信号进行检测,通过后续算法软件实现DNA测序。从原理上看,该技术既可以提供类似于SMRT技术的高质量测序数据,又因其测序信号是纳米孔产生的电流,因此测序系统不涉及复杂的光学模块,有条件实现低成本和高效率。    
今是科技于2023年底开始向客户推送了其第一款测序仪G-seq500,我们通过朋友的渠道拿到了G-seq500的实际测试数据。
单序列准确率>Q20:与某单分子测序平台进行靶向微生物检测产品测试,G-seq500的单序列准确率更高,高达99.58%。
校正准确率>Q50 :G-seq500对大肠杆菌进行测序和组装,对比准确率高达到99.9997%    
图示为:G-seq500对HIV突变进行检测和分型,能够精确检测到Sanger测序无法区分的混合突变(图中箭头所示),同时针对不同位置的突变组合情况进行准确地判定,使得HIV突变检测及分型更加准确
图示为:利用G-seq500测序平台对地贫样本的检测,其结果能够精准的进行父母本分型,相关突变位点使用Sanger测序进行验证,一致性为100%
从以上数据来看,G-seq500的准确性确实不错,希望能很快看到有今是测序平台学术文章的发表。
另外,据朋友反馈,G-seq平台测序芯片可以重复使用(至少10次以上),其原因据说在于其测序芯片本身是纯物理结构的,每次测序所用的生化系统,包括膜、纳米孔蛋白、聚合酶等,都是在测序前通过测序试剂盒由测序仪自动加载到芯片上去的,因此芯片在重复使用的次数周期内都可以稳定的输出。这样的设定对于通常的应用型测序用户非常友好,使得他们有了样本就能够随时上机测序,无须为凑样本而发愁。   
据悉,今是科技向其客户表示,还将在今年推出通量数倍于G-seq500的新款测序仪,进一步降低测序成本,提升测序效率,并为G-seq平台配套自动化的建库仪,满足客户自动化的需求。
可以看到,今是科技G-seq500测序平台在同时满足提供高数据质量和低测序成本方面展示了可喜的进步,后续其能否不断提升产品技术能力,真正实现测序成本和测序准确度对NGS技术的全面超越,让我们拭目以待。
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DNA鉴定

根据孟德尔遗传定律(亲子鉴定的理论基础),孩子身上的遗传物质一半来自于生物学父亲(简称“生父”),一半来自于生物学母亲(简称“生母”),每个基因座上的两个等位基因也分别来自生父和生母。DNA亲子鉴定就是根据科学技术将子女的DNA信息与父亲、母亲的DNA信息相比对,如果符合即是亲生关系,不符则非亲生。

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