基因测序技术为遗传信息的揭示提供了重要数据,在基因诊断和基因治疗等应用研究中也发挥着重要作用。随着对DNA结构和序列的研究加深,对生物、医学、生命科学等领域的技术都产生巨大的推动作用,同时也反向对测序技术提出了更高的要求。 早期的生物纳米孔测序技术开启纳米孔测序时代,使用更偏于物理的方法,相比前代NGS,纳米孔单分子测序无需标记和扩增,测序读长长、速度快、灵活便捷,弥补了NGS在应用方面的短板,可以极大提高基因组大型或复杂结构变异以及重复序列变异的检出率并满足更多可视化和快速需求的应用场景。被称为第三代测序技术,此外,纳米孔还可以拓展到RNA测序,并直接识别核酸的各种修饰。 与蛋白纳米孔不同的是,固态纳米孔在稳定性、电流噪声、工艺集成方面有着显著优势,被业内公认为测序领域未来的发展方向,其可大规模量产的硅基片和氮化硅薄膜价格低廉,可反复使用,有望大幅降低纳米孔单次测序的成本,被誉为第四代测序技术。 其可与当代先进的半导体和微流控芯片制造技术相兼容,越发受到科研人员的青睐,因其可促进小型化、高速度、大通量的纳米孔测序仪问世,除生物分子,其他领域也有广阔的应用前景。因此快速推进技术发展、推动固态纳米孔产品的规模应用称为测序业内的一个驱动力,年初的广州一家新兴公司-洞察科技完成数千万的天使融资,便是这个背景下的一个体现。 对赛道进程,有何促进? 关注企业的意义就在于有没有对行业起到一定的促进作用。前面我们描述了蛋白纳米孔的进步和不足,孔道蛋白天生的理化性质和脆弱性,对溶液的pH和施加的电场力都有严格要求,电流噪声大、测序准确率无法达到高标准,且蛋白孔阵列的稳定性差、生产存储成本高,导至测序成本居高不下,一定程度上限制了其发展。 肯定了固态纳米孔出现的必然性。固态纳米孔主要是利用硅及其衍生物制造而成, 一般使用离子束、电子束或其它技术在硅或其他材料薄膜表面刻出纳米尺度的通孔,再进一步对孔的形状和大小进行修饰而成。具备优良的机械物理性能,在极大地提高测序准确率的同时,凭借成熟的的半导体工艺制备技术开展大规模生产制造,极大地降低测序仪器和耗材的成本。继承了蛋白纳米孔的优点,发扬了物理机械等新优点。 然而,固态纳米孔一般聚焦离子束/电子束轰击或介电击穿的方式在硅基薄膜(如氮化硅)上制造出纳米尺度的孔洞。其所需要的专业人员、昂贵的设备、严格的环境、耗时长且效率不佳,等等有较多的地方需要优化,仅限于科研等局限领域。 洞察科技带来的改变是使用介电击穿的方式,通过自研打孔程序能够以0.1 nm的精度稳定生产1.2 nm ~ 100 nm的固态纳米孔,并已经具备了从芯片设计、加工到制孔的小规模量产能力,纳米孔由小渐大、快速经济等特点,能有效提升国内固态纳米孔的水平。并且有前例可循,纳米孔测序领域龙头企业牛津纳米孔入局固态即从这个技术路径入手。 好事多磨 尽管较为成熟的牛津、新兴的洞察科技等一众企业,在积极践行介电击穿的方式,并且固态纳米孔测序的优点也十分明显,但其处于初期阶段的事实,使得测序原理到制造工艺均还有许多环节需要提升。 例如,电流变化如果较小,微弱的电流信号,较难精确测量,这其中包括不同碱基形态不同,通过纳米孔时速度又过快,就会难上加难。又比如洞察科技正在解决的纳米孔问题,许多企业都还在尝试、验证当中,一般纳米孔越小,膜厚越薄,信号准确性越高,但对材料和制备工艺就有非常高的要求;最后一个四代测序技术,所蕴含的AI技术,不过云计算和深度学习的发展,测序速度会比前面两个问题更快解决。 除了DNA检测,由于检测方法学的不同,固态纳米孔单分子检测技术也可用于RNA、蛋白质等多领域。因此微弱信号测量体系、纳米孔稳定性、AI应用技术的优化和更迭,会带来1+1>2的结果效应,并不只是解决技术瓶颈本身问题。 不仅如此,如上面所述,纳米孔技术的继续发展,不仅仅是与AI的融合,各项科学技术也会加入融合,使其在化学、物理学、生物学、电子学和医药学等学科的结合之下,对包括疾病诊断在内的所有生命科学均有较大的促进作用,只因它是可以代表先进生产力的。 写在最后 测序技术的持续发展,从实验室走向规模市场,其精准、高灵敏度等优点势必被期待广泛应用于各类应用场景,在市场期待的牵动之下,一代、二代、三代、…不断进化,直至如今的准确、快速、低成本、小型化的测序平台的要求。 在这个最新标准的导向下,固态纳米孔单分子检测技术应运而生,市场率从其出生就开始不断提升,足以见得其受认可度,便捷灵活的应用条件,使得其几乎只剩下价格和稳定性的问题,年轻的洞察科技公司在稳定性上,通过介电击穿的方式实现了纳米孔的制备成本、稳定性等竞争优势,多个环节领先于市场,为这个赛道提供了一种可行的解决方案,为挖掘生物信息提供更高效好用的“铲子”。 参考资料: 1.洞察科技官网、资讯 2.单分子检测技术 - 固态纳米孔,硅基生物SiBio,2022 3.推进固态纳米孔在生物大分子检测领域的应用,洞察科技完成数千万元天使轮融资,微流控,2024 |