齊碳科技：為探索基因“密碼”提供新“鑰匙”

王艾艾

提取人類基因進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)疾病預(yù)警、診斷分析和控制治療有著重要意義，特別是在判斷腫瘤和未知病原時(shí)，能給醫(yī)護(hù)人員提供關(guān)鍵信息。如今，一臺(tái)小巧便攜的儀器就可以完成這項(xiàng)艱巨的工作。

這臺(tái)儀器就是齊碳科技在去年9月發(fā)布的國(guó)內(nèi)首款納米孔基因測(cè)序儀QNome-9604，同步還發(fā)布了配套的測(cè)序芯片QCell-3841和測(cè)序試劑盒Qeagen-8，后兩者是基因測(cè)序儀的核心組件。

就像手機(jī)芯片決定了設(shè)備的運(yùn)行效果、攝像頭為手機(jī)拓展了新功能一樣，配套發(fā)布的測(cè)序芯片和測(cè)序試劑盒讓基因測(cè)序儀擁有更強(qiáng)大的功能。

齊碳科技是中關(guān)村高新技術(shù)企業(yè)，已成功研發(fā)出納米孔基因測(cè)序儀的原理樣機(jī)、工程樣機(jī)和產(chǎn)品樣機(jī)，填補(bǔ)了中國(guó)自主研發(fā)納米孔基因測(cè)序儀器的空白。該公司曾獲2018中關(guān)村國(guó)際前沿科技創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)。

堅(jiān)持自主研發(fā)

打破技術(shù)壁壘

2010年前后，國(guó)際基因測(cè)序巨頭的二代基因測(cè)序儀一經(jīng)上市，就以高通量、高準(zhǔn)確性、低成本的特點(diǎn)受到了市場(chǎng)的青睞。二代基因測(cè)序儀的出現(xiàn)加速了基因測(cè)序從高精尖的科研服務(wù)向臨床應(yīng)用領(lǐng)域拓展的進(jìn)程。

此時(shí)，國(guó)內(nèi)測(cè)序服務(wù)商通過(guò)獲得主流二代廠商的部分專利授權(quán)，合作開發(fā)的一批測(cè)序儀產(chǎn)品相繼獲批上市，這在一定程度上改變了市場(chǎng)長(zhǎng)期被國(guó)外技術(shù)壟斷的局面，但這種模式讓國(guó)內(nèi)企業(yè)無(wú)法獲得創(chuàng)新紅利，產(chǎn)品也缺少技術(shù)迭代的活力。

二代基因測(cè)序儀也有自己的短板，如高通量測(cè)序的讀長(zhǎng)短、操作復(fù)雜、不能滿足臨床場(chǎng)景下復(fù)雜樣本的測(cè)序需求等。這為進(jìn)一步發(fā)展基因測(cè)序技術(shù)，留下了思考空間。

齊碳科技一開始就選擇了自主研發(fā)的道路，其研發(fā)的納米孔基因測(cè)序儀就屬于第四代基因測(cè)序技術(shù)。

齊碳科技納米孔基因測(cè)序儀，可以達(dá)到150Kbp以上的超長(zhǎng)讀長(zhǎng)，8小時(shí)穩(wěn)定產(chǎn)出500Mbp數(shù)據(jù)，適用于微生物檢測(cè)、擴(kuò)增子測(cè)序等快速靈活的使用場(chǎng)景，可分離式芯片設(shè)計(jì)極大降低單次使用成本。

到底有多厲害？讓我們與二代基因測(cè)序技術(shù)對(duì)比一下。

市場(chǎng)上主流二代基因測(cè)序技術(shù)的讀長(zhǎng)約有300對(duì)或者150對(duì)堿基對(duì)，齊碳科技四代基因測(cè)序技術(shù)的讀長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到15萬(wàn)對(duì)堿基對(duì)，是二代基因測(cè)序技術(shù)的500倍至1000倍。

齊碳科技四代基因測(cè)序技術(shù)彌補(bǔ)了二代基因測(cè)序技術(shù)的局限，并拓展了基因測(cè)序的應(yīng)用場(chǎng)景。易攜帶、高效能的特點(diǎn)，使其在公共衛(wèi)生、醫(yī)療健康和刑偵檢測(cè)方面擁有更多的發(fā)展空間。

直面科研挑戰(zhàn)

打造精良工藝

相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)激烈的二代基因測(cè)序市場(chǎng)，四代基因測(cè)序技術(shù)的整個(gè)研發(fā)過(guò)程中會(huì)涉及核酸、蛋白、流體芯片、信號(hào)處理電路和堿基識(shí)別算法等多個(gè)學(xué)科，門檻比較高，前景一片寬廣。

這讓齊碳科技年輕的科研人員激動(dòng)不已，同時(shí)他們也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

擺在他們面前的第一道難題就是要生產(chǎn)出符合所需結(jié)構(gòu)的蛋白，也就是納米孔蛋白和控速蛋白。納米孔蛋白用來(lái)提供納米尺寸的蛋白質(zhì)通道，控速蛋白用來(lái)控制單鏈核酸通過(guò)納米孔蛋白的速度。事實(shí)上，這些蛋白原本在自然界中可能并不存在，需要齊碳科技的科研人員像建筑師一樣，發(fā)揮想象力，設(shè)計(jì)出目標(biāo)蛋白的結(jié)構(gòu)。

齊碳科技全家福

挑戰(zhàn)才剛剛開始。

首先，要“想”出來(lái)。研究人員需要憑借扎實(shí)的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新的想象力，提出全新的蛋白結(jié)構(gòu)，而且要提出好多種，從中選取條件最好的，來(lái)提高基因測(cè)序儀的性能。

其次，要“做”出來(lái)，也就是進(jìn)到實(shí)驗(yàn)室根據(jù)設(shè)定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地把蛋白培養(yǎng)出來(lái)。我們知道世界上沒有完全相同的兩片葉子，具有生命體屬性的蛋白也不是輕易就能“復(fù)制”的。實(shí)驗(yàn)室要有精良的工藝，才能保證每批次培育出來(lái)的蛋白在屬性和功效上盡可能得相近，才算“做”的出來(lái)。

蛋白身材雖小，卻肩負(fù)著核心技術(shù)的使命，齊碳科技經(jīng)過(guò)不計(jì)其數(shù)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，取得了一定成績(jī)，也進(jìn)行了相應(yīng)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局。

水是生命之源。“調(diào)皮”的蛋白也需要在水中才能更好地工作。于是，齊碳科技設(shè)計(jì)了特制的流體芯片和測(cè)序試劑，提供蛋白所需的液體環(huán)境和“養(yǎng)料”。這樣，蛋白就能在環(huán)境舒適、伙食充足的條件下開工了。一個(gè)納米孔蛋白搭配一個(gè)控速蛋白，“專一”的蛋白們就這樣配對(duì)進(jìn)入流體芯片設(shè)置的孔中進(jìn)行作業(yè)。

蛋白們的勞動(dòng)成果是一種極其微弱的電流。為此，齊碳科技設(shè)計(jì)了一種專用集成電路，用來(lái)收集這些高低不一的電信號(hào)，同時(shí)將電信號(hào)放大到普通設(shè)備可識(shí)別的程度。這時(shí)，問(wèn)題就又來(lái)了。放大電信號(hào)的同時(shí)，干擾噪音也會(huì)被放大，這就需要做到在降噪的同時(shí)保留有效信息。

最后，齊碳科技通過(guò)人工智能算法來(lái)分析這些已經(jīng)處理過(guò)的電信號(hào)，從而解讀出目標(biāo)基因序列的意義。

經(jīng)過(guò)四年的大量測(cè)試和改良，齊碳科技成為國(guó)內(nèi)第一家成功研發(fā)出原理樣機(jī)、工程樣機(jī)和產(chǎn)品樣機(jī)，并且能夠穩(wěn)定獲得有效數(shù)據(jù)的企業(yè)。

“納米孔測(cè)序技術(shù)，目前還處于早期階段，穩(wěn)定性、準(zhǔn)確率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)仍在持續(xù)提升。未來(lái)，我們要繼續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品性能，降低成本，讓使用更加方便?！饼R碳科技的相關(guān)負(fù)責(zé)人說(shuō)。

從0到1的改變

技術(shù)和團(tuán)隊(duì)共進(jìn)

目前，齊碳科技的研發(fā)團(tuán)隊(duì)有70余人，大多是來(lái)自清華、北大、中科院、牛津大學(xué)等知名院校的高材生。這樣一群“聰明人”聚在一起組建的團(tuán)隊(duì)，是否從一開始就合作無(wú)間呢？

齊碳的相關(guān)負(fù)責(zé)人回答：“不是。”

為了解決研發(fā)過(guò)程中涉及多個(gè)學(xué)科技術(shù)的問(wèn)題，齊碳科技召集了各個(gè)領(lǐng)域的人才。這樣的好處是，具體的技術(shù)攻關(guān)問(wèn)題都有專業(yè)的人來(lái)解決。隨之而來(lái)的問(wèn)題是，大家來(lái)自不同的專業(yè)領(lǐng)域，對(duì)于跨領(lǐng)域的技術(shù)問(wèn)題不夠了解，這就給協(xié)作溝通造成了阻礙。

隔行如隔山，齊碳科技在成立之初，跨部門溝通時(shí)就會(huì)出現(xiàn)“雞同鴨講”的局面。

為了讓公司順利步入正軌，齊碳科技內(nèi)部密切溝通，而且定期舉行業(yè)務(wù)培訓(xùn)會(huì)。業(yè)務(wù)帶頭人既帶隊(duì)攻克本領(lǐng)域的技術(shù)問(wèn)題，也帶隊(duì)從0學(xué)習(xí)跨領(lǐng)域的知識(shí)。

如今，齊碳科技已經(jīng)走過(guò)了四個(gè)年頭。產(chǎn)品技術(shù)得到大幅度地提升，研發(fā)團(tuán)隊(duì)間形成了高度的默契，跨部門溝通間的學(xué)術(shù)障礙也已經(jīng)遠(yuǎn)去。

就是這樣一群年輕的科研人員，正努力用技術(shù)改變世界，也不斷讓自己成長(zhǎng)。齊碳科技用自主研發(fā)的四代基因測(cè)序儀見證國(guó)內(nèi)新的基因測(cè)序時(shí)代的到來(lái)，用高質(zhì)量、高通量、更便攜的測(cè)序儀器，為人類探索基因“密碼”提供新的“鑰匙”。