生命科学领域“光刻机”全球竞速，中国企业在纳米孔测序仪新赛道表现如何？

摘要： ...

作为基因测序产业链的上游，基因测序仪及配套试剂是整个产业链壁垒最高的部分。以目前主流的高通量测序仪（也被称为第二代基因测序技术，NGS）为例，长期以来这块市场基本由国外少数几家公司主导。

然而，这种格局并非一成不变。新一代测序技术以及涌入基因测序仪行业的新兴企业，都为未来测序仪行业的发展格局注入一些不确定性，这也是传统优势企业面临的挑战。

纳米孔测序仪眼下正呈现出更加多元化的行业格局。“在纳米孔测序仪方面，中国其实跟进得比较快。”中国科学院化学研究所吴海臣研究员在近日的一场主旨演讲中表示，在国际上2014年实现纳米孔测序仪商业化之前，从科研的角度来看，国内科学家参与度较低，但在随后的测序仪推进过程中国内并未落后。

此前的2021年12月，齐碳科技宣布推出国内首台商业化的纳米孔基因测序仪，这正式开启了纳米孔基因测序国产化时代。而在刚刚过去的9月9日，专注于二代基因测序的华大也正式宣布加入纳米孔基因测序仪阵列，面向全球发布最新测序技术——CycloneSEQ测序技术，两款拥有自主产权的纳米孔测序仪首次对外推出。

对华大系而言，其后续的优势之一显然在于利用原有的销售渠道为下游提供“一站式选择”。正如华大集团联合创始人、董事长汪建在产品发布会上表示，“从激发光测序仪到自发光测序仪，再到今天公布的不发光测序仪，三类机器，三种不同原理、不同测序方式结合在一块，我们是全世界唯一的一家。”

不过，仪器从无到有是另一个全新的开端。未来在竞争日益激烈的市场中如何顺利分得一杯羹？这是每一项新技术的入局者都要面临的必考题。

9月9日，华大正式宣布加入纳米孔基因测序仪阵列，面向全球发布最新测序技术——CycloneSEQ测序技术，两款拥有自主产权的纳米孔测序仪首次对外推出。

生命科学领域的“光刻机”

华大集团CEO、执行董事尹烨将基因测序仪视作生命科学领域的“光刻机”，而华大自主研发生产这台“光刻机”的缘由外界并不陌生。

华大生命科学研究院院长、华大集团执行董事徐讯表示，华大创立于1999年，彼时正值高通量测序技术快速变革时期，而2010年凭借来自国家开发银行贷款一口气从Illumina买下128台当时最先进的Hiseq2000测序仪后，一举成为全球最大最有影响力的测序机构。

“那时我们和全球前十大药厂中的8家都签订了战略协议，当时觉得可以通过这样的模式，不断购买新的设备不断扩大规模，成为真正意义上的全球最大也是最强的测序机构。”

“当头棒喝”很快到来。“试剂涨价40%、想要折扣必须加入测序联盟、因为配件禁运机器不能维修、不告知新型号仪器发布计划、未经允许不能擅自移动机器、没有得到授权不能用于临床……”2011年开始，“卡脖子”难题接踵而至。

华大生命科学研究院院长、华大集团执行董事徐讯。

徐讯坦言，“我们花了上亿美金买来一个深刻的教训，技术原来是买不来的。”主攻基因测序仪的华大智造也最终应运而生，该公司成立于2016年4月，由华大集团原本的测序仪板块独立拆分而来，在此之前华大收购了Complete Genomics公司（下称“CG”公司），组建测序仪研发团队，实施国产技术转化。

“我们搭第一台原型机，一些零部件都是从华强北和淘宝买来的。”徐讯说，历经16个月，华大最终在2015年跨出关键一步，正式推出第一台商业化运行的基因测序仪BGISEQ-500。“虽然我们的第一台机器受到一些诟病，可能有这样那样的问题，但我们没有止步于一台机器，实际上不断地在为更高精度、更高通量、更低成本迭代和创新。”

在过去近十年的时间里，华大陆续研制和对外发布了一系列覆盖高中低不同通量的基因测序仪。值得一提的是，在去年2月的AGBT（基因组生物学技术进展会）上，华大智造发布了超高通量测序仪DNBSEQ-T20×2（下称“T20”）。

从公开披露信息来看，T20刷新了全球基因测序仪通量的新纪录。按照全年300个工作日计算，T20每年可完成高达5万例人全基因组测序。更为重要的是，T20超强生产规模使得“超级测序工厂”成为可能，从而使得单人全基因组检测成本降至100美元以下。这也是此前全行业的目标。

测序还有哪些“刚需”难题？

“有了工具在手，我们在基础科研、临床应用上不断取得新的突破。然而随着不断探索，我们遇到了基于DNB的短片段测序仪仍然无法解决的问题。”徐讯如是提到。

实际上，第一代测序技术Sanger测序目前仍是基因检测的金标准，但其通量低，不适合多样本的大规模测序。而作为第二代测序技术，高通量测序技术解决了通量问题，但其测序读长较短，基因组拼接困难且测序时存在高GC偏性，其应用仍然受限。

徐讯解释称，基于DNB的短片段测序仪遇到多种棘手问题：基因组上仍然有8%的“暗物质”区域无法检测到；许多微生物基因组GC含量异常，常规测序无法完成组装；现有DNB平台面对复杂结构变异造成的遗传疾病很难解析；也无法实现实时、快速的测序，解决ICU里感染的快速检测需求。

“面对这些挑战，已有成熟的技术和产品，提升10%已经是极限。”解决这类问题需另辟新技术。

纳米孔测序仪是解决方案之一。吴海臣表示，“纳米孔DNA测序技术开辟至今历史并不长，到现在其实还不到30年。”时间回溯至1996年，哈佛大学的Daniel Branton、加州大学的David Deamer等人，在美国国家科学院院刊PNAS杂志上首次发表文章指出，可以用膜通道检测多核苷酸序列。2012年，基因测序企业Oxford Nanopore推出首款纳米孔基因测序仪样机，并于2014年率先实现商业化。

基于电信号测序的纳米孔DNA测序，其原理实际上非常直观简洁：通过电场力驱动单链核酸分子穿过纳米尺寸的蛋白孔道，由于不同的碱基通过纳米孔道时产生了不同阻断程度和阻断时间的电流信号，由此可根据电流信号识别每条核酸分子上的碱基信息，从而实现对单链核酸分子的测序。

中国科学院化学研究所吴海臣研究员发表主旨演讲。

尽管原理简单，但纳米孔测序仪的诞生也并非坦途。合适的纳米孔蛋白、DNA链穿过纳米孔时如何控速、电流信号检测、稳定的电化学反应环境等等，都是纳米孔测序仪研制的核心问题。

徐讯介绍称，此次华大发布的纳米孔测序仪一个独特的创新即在于提出纳米孔局部化学反应体系（NLC）解决方案，也可以形象地理解为精准控制测序反应的“离合器”。“马达蛋白的工作需要ATP，它需要用镁离子才能激活，我们通过在纳米孔周围形成一个非常小的局部镁离子浓度的环境，且镁离子浓度可控，从而实现调控马达蛋白。”所谓的马达蛋白，是在DNA链穿过纳米孔时起牵引作用，也被称为是纳米孔测序的动力源。

杭州华大序风科技有限公司（下称“华大序风”）总经理董宇亮对澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者表示，总体而言此次发布的CycloneSEQ技术呈现出几大特点。华大序风系华大系成员公司，主要负责单分子长读长测序技术的开发与生产。今年6月，华大智造获得华大序风纳米孔测序产品的全球市场经销权。

第一，相对于DNBSEQ而言，它的测序读长会长很多，且覆盖长度范围比较全面，“我们现在已经实现了读长最长达到Mbp（1Mbp等于10的6次方）级别，而短的像血液中的游离DNA片段也是可以测的。”董宇亮强调，两款纳米孔测序仪的测序读长均覆盖百bp至Mbp，“长而全，这是它主要的一个特点。”

第二个技术特点是快，“单条链过孔速度能够达到350nt/s-420nt/s，另外它能够实时测序，意思就是比如测10分钟后，使用者拿到足够的数据，就可以停下来，非常灵活。”

第三个特点就是小巧灵活，“两款产品设备都是可以放在手掌心的大小，小就意味着普及性更高，比如在一个很小的实验室里，这个设备只要一个小空间就可以插进去，这样不管是在高校还是科研院所，甚至一些政府单位里面，它对于实验室的空间要求非常低。”

另外值得关注的是，相对于第一代、第二代测序技术，错误率高是目前纳米孔测序的主要缺点。“单分子测序检测的是单个分子的原始信号，单个信号的准确率相比之下会低一些。”董宇亮提到，即使如此，通过蛋白优化、算法优化等策略，“我们目前已经达到了单次准确率97%这样一个水平。”

而据徐讯透露，相比于目前已开放订购的WT02，计划于2025年上半年上市的WY01的单次准确率将进一步提升至99%，“这也将是这台测序仪最大的一个突破。”

此外，WT02的单芯片孔道蛋白数高达4092个，单芯片实验室最大通量达50Gb（1Gb 等于10的9次方）。WT01在此基础上，单芯片将提供8倍数量的孔蛋白，将达到3万个蛋白孔（即每平方毫米有51个），从而单芯片数据产量将提升到8倍。

徐讯认为，如果WT02可以被喻为“全公路越野车”，那么WY01更像是一辆“全副武装的工程车”。“ WY01的出现，填补了国内纳米孔测序领域高通量芯片的空白，多项关键性能处于全球领先的水平，它可加速疾病研究和诊断，促进跨学科研究合作，支持生物多样性和生态学研究。”其强调。

新增长点潜力如何？“目前已有订单”

对于此次纳米孔测序仪的发布，除产品本身外，外界关注的另一焦点在于，作为未来华大智造的业务新增长点，其提振业绩潜力如何？

实际上，从业绩角度而言，华大智造也需要新的有竞争优势的业务来刺激增长。公司2023年营收为29.11亿元，和上年同期相比（同比）减少31.10%；归属于上市公司股东的净利润为-6.07亿元，同比大幅减少129.98%；今年上半年，公司营收为12.09亿元，同比减少16.23%；归属于上市公司股东的净利润为-2.98亿元，亏损较上年同期（-9802.70万元）增加。

今年6月宣布获得华大序风纳米孔测序产品的全球市场经销权时，华大智造表示，目前市场上对以单分子测序技术路径为主的产品需求增长迅速，且预计未来随着单分子测序技术短板的明显改善，下游应用领域将进一步拓宽，单分子测序技术与高通量测序技术的互补效应趋势日渐明朗。

华大智造称，经过公司初步测算，预计时空组学业务及单分子测序业务将给公司收入及利润带来正向影响，长期来看，本次交易将有利于公司拓展新的盈利增长点，增强可持续经营能力。彼时公告还提及一点，未来待业务发展稳定后，不排除公司以收购等方式进行进一步整合，扩大业务规模。

华大智造首席运营官蒋慧此次对澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者表示，从市场对测序的需求而言，既要准确度、又要成本低，既要读长长、又要读长全，“那最好的办法就是‘1+1’，这也就是我们为什么称之为‘SEQ ALL’。”

其进一步提到，从未来的销售策略来看，“一方面会基于现在面向全球的已经建好的DNBSEQ的销售渠道，加快CycloneSEQ往前端的推广和销售；另一方面更加关键和重要的是，我们将充分发挥‘1+1＞2’的策略，也就是我们的SEQ ALL组合，无论哪一种方案都会很好地匹配实验室数据产出的需求。”

就纳米孔测序仪未来拓展的业务方向，蒋慧提到四大类型的潜力客户，即高校、科研机构、疾控、医院。“6月份拿到序风的经销权后，我们一直在推动外部使用，目前已经装机的仪器设备整体已经达到50-60台，其中一部分是早期的测试使用设备。”

而在发布会当天，超过70家科研及临床用户代表与华大共同签署合作协议，首批CycloneSEQ用户达成签约合作意向。“这些签约的合作伙伴都有非常强的意向，有一些陆续在采购过程当中。”据介绍，未来华大纳米孔测序仪的生产制造将由位于杭州的华大序风承担。

在上述发布会上，徐讯也对外公布了WT02的发售价，WT02测序仪（含服务器）发售价格为40万元人民币，配套试剂盒为5100元/Run。WY01的价格则有待披露。

未来纳米孔测序仪市场竞争如何？华大智造此前在相关公告中即提到，单分子测序领域获得资本市场关注，资源密集投入加速了相关技术的进步及商业化进程。此外，公司在全球范围内的竞争对手均陆续布局单分子测序相关技术，目前呈现出群雄逐鹿的格局。

其在2024年半年度报告中也写道，近几年来，基因测序行业仍呈集中度较高、龙头企业竞争力强且市场份额大的格局特点，华大智造、Illumina、Thermo Fisher 市场占有率合计近 90%（按收入口径计算）。而在单分子测序领域中，代表企业Pacific BioSciences和Oxford Nanopore Technologies的合计市场占有率约8%。

显而易见的是，龙头企业凭借其源头性技术和完整的专利布局、全面的产品矩阵和快速迭代能力、广泛且深入的商业化体系和强大的学术服务能力，构筑起了技术壁垒并具有明显的先发优势，因此仍占据绝对优势地位。

同时，因技术成熟度及易用性提高、下游应用场景广泛，全球范围内进入基因测序仪行业的新兴企业大量涌现，包括Ultima、Element Biosciences、真迈生物等高通量测序企业，也有齐碳科技、Quantum-Si等单分子测序及蛋白测序企业，新进企业以细分领域突破为发展契机，行业格局逐渐有多元化发展的趋势。

据不完全统计，目前不同技术路径的基因测序仪研发和制造商超过70家，其中绝大多数处于研发早期。2022-2023年，推出商业化量产测序仪的新兴测序仪公司包括Element Biosciences、Singular Genomics、真迈生物及赛陆生物等。

值得一提的是，就纳米孔测序仪进一步发展的方向，吴海臣提到，当前纳米孔DNA测序已经相当完善，学术领域现在都在关注的则是纳米孔蛋白质测序，而蛋白质具有20个典型氨基酸以及数百个非蛋白质氨基酸等复杂性使得该技术目前处于初级阶段。“但目前全球竞争非常激烈，但是和此前纳米孔DNA测序不同，在蛋白质测序领域我们国内的科学家参与度是非常高的。”

董宇亮也对澎湃新闻记者表示，未来公司纳米孔测序仪技术发展的进一步空间，除了继续提升准确率和通量之外，针对纳米孔的原理特点还能开发很多创新性的应用，包括甲基化测序、RNA直接测序、多肽测序等，“在这个领域我们还在持续攻坚。”

不过，无论是此前的高通量测序仪，还是最新的纳米孔测序仪，站在设备生产商的角度，进一步扩大普及率、甚至实现“人人基因组时代”的到来，是行业参与者的普遍愿景。