Illumina：人类基因组测序可在数天完成

两个3英寸×1英寸的玻璃芯片中，保存有包含在16个人类基因组中的惊人数量的遗传信息。上周，有技术人员将这些芯片——被称为flow cell，置入华盛顿大学基因组研究所一台新的基因测序仪中，将会在短短三天时间内完成人类基因组测序任务。

这是令人难以置信的，因为世界各地的科学家第一次绘制人类基因组图谱时，花费了超过10年的时间，大约10亿美元的成本，当时这一壮举是在2003宣布正式完成的。

这种超快速的测序仪已在去年投放市场，仅出售给10人以上的研究小组，该系统每年能够测定18000个人类基因组，每个基因组的成本仅为1000到1500美元。

华盛顿大学基因组研究所正置入他们第十台HiSeq X测序仪，每一台价值100万美元。

测序速度的快速增加和成本的降低，使得科学家以前所未有的规模开展研究，这是医生每天面对的人类疾病研究做出结论和发现所必需的。

基因组研究所的主任Rick Wilson指出：“我们有机会将基因组学推向临床，了解是什么原因导至疾病，并最终学会如何预测疾病。”当基因组研究所这样的实验室在90年代早期共同解决人类基因组图谱绘制这个看似不可能完成的任务的时候，这是他们的目标和希望。

当该技术在去年首次宣布时，纽约冷泉港实验室的定量生物学家Michael Schatz将其比喻为望远镜或微处理器的发明，它们使得现代个人电脑成为可能。

Schatz告诉《Nature》杂志说：“如果有人不相信基因组学能达到这个价格和效率，我们有绝对的把握。”

是基因中发生了什么使得我们患上关节炎、糖尿病或癌症，而且对治疗没有反应？为了揭开构成人类基因组的60亿个DNA碱基的谜底，就需要对人群进行测序。

Wilson解释说：“如果你有10000名阿尔茨海默氏症患者和10000名从来没有疾病征兆的对照者，想法是，你可以对着两组人进行测序，以了解关于阿尔茨海默氏症的一些东西。因为每个人都不同于其他人，你不能仅仅用五名老年痴呆症患者和五名对照组开展研究。你没有足够多的数据来查明差异。”据其制造商Illumina介绍，这就是新的测序仪为什么只卖给10人以上研究组的原因。

Illumina公司高级项目经理Joel Fellis说：“这些系统支持大规模的人类全基因组测序项目。我们的目标是提供一个令人信服的价格，和测定成千上万个样本所需的测序能力。”

1000万美元的售价也确保，只有配备专业数据破译和存储设备的单位，才能接受基因组学的高风险赌注。基因组研究所是美国拥有HiSeq X的七个实验室之一，和世界上拥有该设备的20个实验室之一。

Wilson说：“我觉得，如果我们没有买进国家最先进的技术，有可能我们就会落后。我认为，对于世界上现代基因组学研究数一数二的地方，这是很重要的。”

基因组研究所是人类基因组计划的一个关键参与成员，最终完成了人类基因组蓝图的25%，部分原因是通过开发一种方法，用荧光染料和激光来确定组成DNA的四个碱基，使测序速度翻了两番。在2008年，该研究所首次测定了白血病患者的肿瘤基因组序列，从那以后他们已经对750名儿童癌症患者进行了测序，从而带领科学家们发现了22种癌症。

Fellis说：“基因组研究所一直是Illumina技术和人类全基因组测序的先锋，尤其是在癌症基因组学研究领域。世界上许多首个癌症基因组测序在圣路易斯完成的，我们很高兴地看到他们如何在一个巨大的规模上使用这项技术。”

而该研究所通过测定一个人癌症细胞和正常细胞的基因组，并进行比较，已经获得了很多结果，Wilson说他正在寻求联邦资助，使用新的测序技术来揭示关于更复杂疾病的遗传线索，如心脏病、糖尿病和自身免疫疾病。

二十五年前，科学家们把溶液装到一个大试管中，在里面他们准备DNA进行测序。过程从较小的试管，演化到一块平板，上面有96个厘米大小的孔，里面装满了机器人。孔的数目进一步增加到384个。接下来是一块板上有成千上万个微小草皮层。

Flow cell包括一层草坪样的表面，可容纳约30亿个DNA分子，它们都可以被同时测序，科学家们称之为“大规模并行测序。”

Wilson说：“这个芯片就像成千上万个实验室技术人员坐在实验台旁边。有很多的事情在同一时间发生。”

基因组研究所的实验室设备和技术人员，已经被研究人员坐在电脑旁边所取代。项目管理总监Bob Fulton说，他从未想过他每天会花费大量时间在屏幕前，看着机器矩阵数据和质量测度。

他笑着说：“我甚至不知道我的实验服在哪里。用机器人移动、升降和喷出东西真的很酷。”

在测序方面取得的巨大突破，都需要存储和分析输出信息的能力也同等进步。仅仅一个人类基因组所包含的数据，就足以填充华盛顿纪念碑大小的电话本。

基因组研究所的街对面是一个12000平方英尺的数据中心，配备有超级计算机和服务器，有自己的冷却装置和变电站。Wilson说，该设备根据最新技术进行不断的升级，软件工程师一直致力于开发新的方法来压缩数据，做出更快的比对，并快速删除不需要的数据。

鉴于过去20年中基因组学进步的惊人速度，这个轨迹是难以想象的。Wilson说：“在五年之内，我的iPhone或者类似的东西，也许能测定我的基因组序列。”